由於叛徒出賣， 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。
據審訊她的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， 面臨截肢危險。
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， 一共折騰了兩個小時， 但並沒有獲的有價值的線索。
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， 對趙一曼的摧殘變本加厲。 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。
為了不讓趙一曼昏迷， 敵人用冷水潑， 化學藥水熏， 酒精擦， 多次給她注射了強心針和樟腦酊。 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，
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；
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。
一代抗日女英雄， 就此隕落， 當時趙一曼年僅31歲。
在抗戰勝利後， 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。 ”