由於叛徒告密， 為掩護主力部隊， 戰鬥中， 趙一曼左手腕受傷， 暫時隱蔽在一個窩棚裡養傷。 11月22日， 日寇發現了趙一曼的行蹤， 在抓捕趙一曼時， 右腿被子彈打斷， 露出了骨頭， 被捕。
日軍用一輛牛車把趙一曼押往縣公署， 把她交給了特務科外事股長大野泰治。
據大野泰治的回憶講述：當時， 由於是大口徑子彈， 趙一曼腿部的傷口很大， 她穿著一件黑棉衣， 腰下被血染著， 臉伏在車臺上， 頭髮散亂， 大腿的褲管都被血灌滿了， 在不斷往外滲， 碎骨頭散亂在肉裡， 共有24塊， 面臨截肢危險。
由於知道趙一曼是抗聯的重要人物， 所以大野泰治親自審問趙一曼。
開始審訊時， 大野泰治用鞭子把兒捅趙一曼手腕上的槍傷傷口， 然後用手擰、摳她的傷口， 木棒抽打趙一曼的胳膊， 腿， 使趙一曼幾次疼得昏死過去。 一共折騰了兩個小時， 但並沒有獲的有價值的線索。 連續多日的虐待，
6月28日趙一曼在護士和警衛的協助下在夜裡逃走。 但是不久又不幸被捕。
第二次被捕後， 日軍對趙一曼變本加厲的摧殘。 先在十個手指上釘竹簽， 拔出來後， 用更粗更長的籤子繼續釘， 最後用燒紅的鐵簽紮；
將灌辣椒水攙著小米和汽油一起灌進趙一曼喉嚨和鼻孔；烙鐵直接摁在胸口上烙燙；
為了不讓趙一曼昏迷， 敵人用冷水潑， 後來改用化學藥水熏， 用酒精擦， 還多次給她注射了大劑量的強心針和樟腦酊。 被折磨奄奄一息的趙一曼依舊沒有招供。
於是日軍決定專門從本土運來最新式的針對女性設計的電刑刑具，
據當年參與審訊的描述， 電刑持續了7個多小時， 先前從未喊叫一聲的趙一曼， 此時慘叫聲不絕於耳；完全失禁、淋漓不絕、胃汁和膽汁全嘔吐出來；
受刑處被電流烤焦、呈焦黑色， 局部組織Ⅱ-Ⅲ度電燒傷、呈炭化狀；整個人混身濕淋淋淌著汗水， 口中直流白沫， 舌頭外吐， 眼球突凸， 瞳孔放大， 下嘴唇也被自己咬得血肉模糊……
對於這種酷刑， 趙一曼仍沒有招供， 日軍記錄：
７月２６日對趙一曼女士的電刑， 操作準確，新式電刑器具功能發揮正常，給了趙一曼女士超負荷的最大壓力。在長時間經受高強度電刑的狀態下，趙一曼女士仍沒招供，確屬罕見，已不能從醫學生理上解釋。故審訊未取得理想效果。
由於從趙一曼口中獲知情報無望，於是決定處死趙一曼。
趙一曼被遊街示眾後，然後被處決，野蠻的日軍讓趙一曼屍體在行刑場爆曬數日，不許百姓收斂。
戰後，大野泰治淚流滿面的，跪在地上懺悔，他說“我一直崇敬趙一曼女士，她是真正的中國的女子，作為一個軍人我願意把最標準的軍禮給我心目中的英雄，作為一個人，我願意下跪求得趙女士靈魂的寬恕。”
由於從趙一曼口中獲知情報無望，於是決定處死趙一曼。
趙一曼被遊街示眾後，然後被處決，野蠻的日軍讓趙一曼屍體在行刑場爆曬數日，不許百姓收斂。
戰後，大野泰治淚流滿面的，跪在地上懺悔，他說“我一直崇敬趙一曼女士，她是真正的中國的女子，作為一個軍人我願意把最標準的軍禮給我心目中的英雄，作為一個人，我願意下跪求得趙女士靈魂的寬恕。”