她于1926年加入中国共产党。在国共第一次合作时期，任共青团宜宾地区委员会妇女委员和宜宾县国民党党部第一任代理妇女部长，同年10月入武汉军事政治分校女生队学习，第二年9月，又被送往苏联东方大学学习，1928年和同学陈大榜在莫斯科结婚。1928年冬回国，先后在湖北宜昌、江西南昌和上海等地，从事党的地下工作。1932年，赵一曼被派到东北地区工作，先在奉天，同年秋去哈尔滨，任满洲总工会秘书、组织部长和哈尔滨总工会代理书记，1933年4月，领导了电车工人大罢工，1934年7月，赴珠河游击区工作，担任中共珠河中心县委委员、特派员和妇女会负责人。1935年春，调任中共珠河区委书记，同年秋兼任东北人民革命军第三军一师二团政治委员，1935年11月，因养伤而不幸被捕。1936年8月2日，31岁的赵一曼英勇就义，把一腔热血洒在了远离家乡的白山黑水间。
赵一曼被捕后还有一段小插曲。被捕后第10天，她被押到哈尔滨伪滨江省警务厅，敌人对其进行严刑审讯，她坚贞不屈，拒不吐实，因她伤处化脓严重，数度昏迷，在她生命垂危时，敌人担心她如死去将得不到口供，不得不把赵一曼送进哈尔滨市立第一医院监视治疗。看守她的警察董宪勋，女护士韩勇义，都是有正义感的青年。赵一曼向他们讲述抗联战士的事迹，争取他们逐渐由同情、羡慕到决心参加抗联队伍。赵一曼伤势见好后，他们共同筹划逃离医院，奔赴抗日游击区，并经过周密准备，于1936年6月28日深夜，顺利地逃出哈尔滨。第二天早晨，伪警务厅得知这一消息，当即跟踪追击，最后把他们又抓了回来。
再次被捕后，敌人反复折磨了她一个月，赵一曼只是怒斥敌人：“你们可以让整个村庄变成瓦砾，可以把人剁成烂泥，可是你们消灭不了共产党员的信仰！”敌人把她押到珠河县，在公开处决前绑在一辆马车上游街示众，这位红枪白马驰骋北疆的女政委，在她战斗过的土地上一路高唱《红旗歌》，沿途许多群众流泪而目不忍视。
赵一曼就义之前，最思念的就是自己的儿子。当年生儿子临产时，她正在宜昌做地下工作，把孩子生在一个好心妇女的半间砖房中。她背着孩子一路讨饭，前往上海寻找党组织，受尽了千辛万苦，几乎在上海街头把孩子卖掉，在这么艰难的环境中拉扯大的孩子，让行将为国捐躯的母亲如何不想念！这封充满了舐犊之情、报国之意的遗书写于赵一曼赴刑场的途中，读来催人泪下。
“宁儿：母亲对于你没有能尽到教育的责任，实在是遗憾的事情。母亲因为坚决地做了反满抗日的斗争，今天已经到了牺牲的前夕了。母亲和你在生前是永久没有再见的机会了。希望你，宁儿啊！赶快成人，来安慰你地下的母亲！我最亲爱的孩子啊！母亲不用千言万语来教育你，就用实行来教育你。在你长大成人之后，希望不要忘记你的母亲是为国而牺牲的！”
作为中国共产党第一代女党员，赵一曼也走了一条冲出封建家门、入校接受新思想、到国外学习、回国搞革命活动之路。她13岁时父亲去世，哥嫂对她多方管制。为了少惹是非，哥嫂将她收集的进步书刊付之一炬，并准备将她嫁出去了事。她激愤之中吐了血，用“一超”的名字发表了要求脱离家庭的宣言。她不仅自己不缠足，还用菜刀剁烂了裹脚布和小尖鞋，并组织了“妇女解放同盟会”。母亲想用做女红的方法收敛赵一曼的心，让她学绣花，然而她9个月内没绣出一朵花，反而利用这个时间读了很多革命的书籍。
在中华民族谋求自身解放和反抗日本侵略者的斗争中，赵一曼烈士堪称巾帼英豪，也堪称民族英雄。