Tháng 8/1948, trên đường đi công tác về chiến khu, Đặng Thị Kim bị thực dân Pháp bắt. Biết bà có nhiều thông tin về cơ sở cách mạng, địch dùng nhiều hình thức tra tấn để buộc bà khai báo. Nhưng người phụ nữ mới 19 tuổi vẫn giữ im lặng, bảo vệ đồng chí và cơ sở cách mạng. Khi ấy, bà đang mang thai khoảng ba tháng. Sau những ngày bị giam giữ, tra tấn, bà bị sát hại.