再度被捕后，日本宪兵对赵一曼的折磨不断升级，他们希望那些曾经令许多人发抖、丧失意志的酷刑能在她身上产生作用。但赵一曼始终坚贞不屈。
据记载，敌人针对赵一曼采用的酷刑多达几十种，先采用鞭打、吊拷、老虎凳、竹筷夹手指和脚趾、拔牙齿、压杠子、扭胸肉、搓肋骨等“轻刑”。见不起作用，又多次采用更残酷的刑罚，严刑逼供。从查到的档案看，所记录的情况十分惨烈：
“……把竹签一根一根地扎进指（趾）甲缝内，再一根一根拔出来，接着换成更粗更长的签子再一根一根扎进指（趾）甲缝内，再一根一根拔出来；后改用铁签，烧红后扎进一个个指（趾）甲缝内；最后，把翘裂开的手指、脚指甲一片片拔下，用钳子反复敲打指（趾）头，把一个个带血的残废指（趾）头慢慢浸入盐水桶里……从下午一直行刑到深夜。”
“……一口紧一口地往下灌掺有小米和辣椒水的汽油，肚子鼓胀得似皮球，再用杠子在肚皮上一压，灌进去的东西又全从口鼻和下身溢出。灌进去的时候是小米，喷出来的却是颗颗豆粒般的血珠。反复数次……”
“……不断地用鞭子把儿蘸着粗盐捅她手腕和大腿上的枪伤伤口，一点一点往里拧，碰到骨头后再不停地搅动伤口……”
“……用烧得暗红的烙铁，烙烫赵一曼女士的身体，烧得皮肉‘’地响，大量的青烟不断地冒出来。烙铁由红变黑，又放进火盆里烧，烧红再摁……赵一曼女士脸色灰白，冷汗涔涔，先是狠狠地瞪着审讯她的人，未发一声呻吟。渐渐地明显支撑不住，昏迷了过去。审讯室里充满了刺鼻的皮肉烧焦的煳味……”
最后，他们甚至使用了即使是身强体壮的男子汉也忍受不了的类似凌迟般的活剐——剥肋骨。
在施酷刑过程中，为了不让赵一曼昏迷，失去刑讯效果，日本宪兵先是用冷水泼，后来改用化学药水熏，用酒精擦，还多次给她注射大剂量的强心针和樟脑酊，强迫给她喂灌许多掺有咖啡因的盐水和含有高纯度甲基苯丙胺的葡萄糖液，待赵一曼恢复体力，头脑清醒、精神亢奋后，再继续用刑。
在长时间的刑讯中，面对拷打，赵一曼始终没有屈服，使敌人“觉得很没面子，伤了日本军人的自尊”。
在这种情况下，滨江省公署警务厅涩谷三郎厅长亲自作出了凶残的决定，从日本运来他们刚刚“发明”的专门针对女性设计的电刑刑具。他们要在赵一曼身上展示这一帝国机器的“威力”。
——日本侵略中国后，为了镇压中国人民的反抗斗争，广泛使用了电刑。开始是使用电话发电机改装的电刑刑具，后来发明了专门的电刑刑具，就传入中国。对于女性受刑人，他们一般使用专门针对女性的电刑刑具。女性四肢远端的触觉（指尖、趾尖、掌心、足底等部位）和身体表皮对疼痛的感觉都要比男性更为敏锐。这样，在遭受同样酷刑的情况下，女性比男性感受到的痛楚会更为强烈。现在从有案可查的史料看，赵一曼是第一个被日本鬼子用专门针对女性的电刑刑具施用电刑的中国女性。
根据医用人体解剖学和病理原则，可以说各种酷刑中，电刑是最“现代化”和最“科学”的一种，也是最残酷的一种。电刑的特点是，电流通过人体，导致肌肉痉挛。电流加大，这种痉挛会导致肌肉由酸痛至剧痛。当改变交流电的强度、波型、相位、频率等参数时，会对人体的肌肉产生不同的作用，有时导致受刑人呕吐、大小便失禁，有时还会出现鼻口流血。由于强大的电流烧灼人体内部器官，身体的颜色一直在变化，肌肉膨胀、发出异味，甚至会着火，造成受刑人极大的痛苦。这种痛苦与其他刑罚造成的痛苦不同，是极其难以忍受的，即使是再坚强的人，在强烈电流的刺激下也会禁不住狂喊嘶叫。电刑还可以造成受刑人神经系统的紊乱，使其不由自主地招供。一个人如果遭受两三次电刑，便会变得神情呆滞、反应迟钝，身心受到极大摧残。
电刑还有一个特点是，可以持续进行，不会像有些酷刑那样，当痛苦达到极点时会产生麻木的感觉。当对受刑人反复施用电刑时，其痛苦程度将会一次比一次强烈，而且如果掌握得好，即使受刑人痛苦到难以忍受的地步，也绝不会昏迷过去，这对刑讯是十分有利的。这也是电刑跟其他刑罚相比更残酷、更惨无人道的地方。差不多每个受过电刑的人都只有一个愿望：早早死去，以免再受这种难受的活罪。
刚开始，电刑所用的刑具是普通的手摇电话机，行刑时，用导线将受刑人的身体和电话机接通，利用手摇发电机发出的电流来刺激受刑人的肉体。后来发明了专门的电刑设备，电流和电压可以任意调节，从而使电刑更加方便、更可怕。现在日本宪兵就是用这种专用的电刑刑具给赵一曼施刑的。
其实在1936年4月末，日本宪兵就已经对赵一曼实施过一次电刑，那还是手摇型的。他们把赵一曼的手脚绑在刑椅架上，将电极一端夹住赵一曼的双腕，另一端夹在脚髁上，对她施以电刑。据当时的审讯记录记载，当电流快速通过赵一曼身上时，“可以清楚地看到赵一曼女士的身子开始发起抖来，浑身汗珠一颗一颗地从皮肤下面冒出来”。随着电流变化节奏的加快，在这之前受过多种酷刑从没有喊叫一声的赵一曼，这时也“难受得不停地颤动，张大了口，不自觉地发出极度痛苦的凄惨呻叫”，而且“叫得越来越厉害，全身肌肉紧绷，身体弯成弓形，整个身体像筛糠一样”…… 赵一曼昏了过去。但靠着顽强的意志力，她还是没屈服。
7月26日，日本宪兵用刚从本土运来的新式电刑器具对赵一曼实施第二次电刑，由特高股长大黑照一亲自实施。警察厅特务科主任林宽重指示：“不要有任何顾忌”，“总之，要慢慢地跟这个女人耗，不能停，不能让她有喘息的机会，直到电刑摧垮她反满抗日的意志，撬开她的嘴。”
据当年参与审讯的行刑者描述，这场断断续续持续了七个多小时的电刑，造成了连续不断的剧痛，已超过了任何正常人能够忍受的极限。赵一曼令人撕心裂肺的惨叫声不绝于耳，她的胃汁和胆汁全呕吐出来了，受刑处被电流烤焦，皮肤呈现出皮革状、焦黑色，局部组织Ⅱ－Ⅲ度电烧伤，呈炭化状，整个人浑身上下淌着汗水，舌头外吐，眼球突凸，两眼变红，瞳孔微微放大，下嘴唇被她自己的牙齿咬得烂糊一片……
每当赵一曼的痛苦即将达到极限，肌肉发僵，全身抬起，快要昏死过去的时候，大黑照一就及时调弱电刑力度。并慢慢断开电流，待赵一曼全身松弛，鼓起的肌肉塌下，清醒一会儿后，再接通电源。就这样一次次地变换，一次次地断开，再一次次接通……
虽然电刑的痛苦远非一般酷刑可比，但赵一曼在顽强意志的支撑下，并没有屈服于这种酷刑。面对日本宪兵令人发指、难以启齿的残酷电刑折磨，她始终没有妥协。
伪滨江省公署警务厅司法科暨特务科“关于审讯赵一曼女士效果的报告（1936年7月29日滨警司暨特密4759号）”是这样描述的——
参考厅本部以及有关机关的意见，七月二十六日对赵一曼女士的电刑，操作准确，新式电刑器具功能发挥正常，给了赵一曼女士超负荷的最大压力。在长时间经受高强度电刑的状态下，赵一曼女士仍没招供，确属罕见，已不能从医学生理上解释。故审讯未取得理想效果，一是赵一曼女士有很高的文化修养和激昂的抗日态度，属顽固不化的思想犯；二是赵一曼女士已抱定必死之决心，且意志之顽强令人难以置信，单纯的审讯已无法改造其反满抗日的思想。
刽子手林宽重很失望，他用手巾频频擦着汗水，长吁了一口气，说：“这个支那女人竟这么顽固，连帝国最新式的电刑也摧垮不了她的意志！怎么可能？该不会是电刑设备有问题吧？”
警务厅特务科长山浦公久说：“电刑效果是不错的，只是想不到赵女士这么顽强！骨头真他妈硬！好像连命都不要啦！”他们不明白，是什么力量支撑着赵一曼这样一个年轻女人有如此坚强的意志，竟能长时间地熬住日本帝国最新式的电刑。他们实在想不出还有什么更厉害的刑罚了。林宽重叹了口气，无可奈何地说：“既然这样，还是毙掉算了！”
1936年8月2日一早，赵一曼被日本宪兵押上了开往珠河的火车。她静静地靠在车厢后背上，凝视着车窗外向后退去的被薄雾笼罩的田野、树木和村庄，回顾了自己短暂的人生。她向押解她的日本宪兵要来纸和笔，写下了她给儿子的遗嘱，虽然，这时她根本不知道他在哪里：
宁儿：
母亲对于你没有尽到教育的责任，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。
母亲和你在生前永远没有再见的机会了。希望你，宁儿啊！赶快成人，来安慰地下的母亲！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。在你长大成人后，希望不要忘记你的母亲是为国而牺牲的！
你的母亲赵一曼
1936年8月2日
赵一曼与一起被俘的珠河县团委书记周伯学一同被敌人游街示众。她们戴着沉重的手铐脚镣，由四五名宪兵押解着，坐着载重汽车到了郊外刑场。处死前，周伯学让行刑的人把脚镣取下来，她说：“我死后，要到母亲那里去，戴着脚镣子走起路来不方便。”枪响了，两个人同时倒下。然而野蛮的日本人让她们在刑场曝尸数日，不许百姓收敛，尸骨被饥饿的野狗撕碎，尸骨无存。几十年后，人们为赵一曼举行了“影葬”，将她生前的照片埋放在她殉难的地方。赵一曼死了，但她的精神永远不死。正是她和千千万万跟她一样的烈士们的牺牲，才换来了我们这个民族的新生。
1949年后，有关部门在日伪档案中发现了一份编号为“特密第5583号”伪滨江警务厅报告：“姓名：赵一曼，女，现年二十九岁。职业：无职业。原籍：山东省济南府。住址：不定……她是妇女思想匪，由于计谋巧妙，担负了珠河中心县委委员的重任，颇受重视……于八月二日处以死刑。”
由于赵一曼的巧妙迷惑，报告中关于赵一曼的年龄、籍贯都有误，但其中关于赵一曼被捕和被害情况的记载，却准确无误地告诉人们，她就是在这里为国捐躯的。