1946年夏，劉胡蘭當上了區婦聯幹部，並參加了土改。在土改中，她進一步提高了思想覺悟，6月間，她被批準入黨。但由於她的年齡太小，黨組織隻批準她為候補黨員，待年滿18歲時再轉正。第一次參加黨的會議，她就勇敢地揭露了農會秘書石五則包庇地主石玉璞的事實，體現了一個共產黨員堅持原則的精神。
文水縣土地改革勝利結束了。不久，蔣介石發動內戰，調集大批軍隊，準備進攻延安，山西主力部隊被調到黃河西部去保衛延安，閻錫山部隊便趁機向文水平川襲擊。這時，區委會決定讓劉胡蘭等轉移到山上去。但劉胡蘭卻堅持要留下來，理由是：她年輕需要鍛煉，人熟地熟便於工作。經研究，區委同意了劉胡蘭的要求。她覺得很激動，深感黨組織對她的信任。
情況一天比一天緊張，閻錫山不斷往文水平川調兵遣將。劉胡蘭等留在村裏的幹部，密切注意著敵人的動向，同時向群眾們講解全國革命形勢發展的良好趨勢，希望大家咬緊牙關熬過困難的時刻。
12月21日晚，區長回到村裏，組織群眾狠狠打擊了敵人的猖狂反撲，鎮壓了壞人石佩懷，為人民除了大害。這時，敵軍特派員張全寶又在策劃一個大陰謀：搞“自白轉生”活動，敵人妄圖以此事瓦解人民的鬥誌。
1947年1月8日，敵二連連長許得勝帶人來到雲周西村抓走了5個人，其中有石三槐、石六兒和石五則。劉胡蘭一麵派人向區裏彙報，一麵到被抓的同誌家裏進行安撫工作。與此同時她自己也作了最壞的打算。她對好友金香說：“如果被敵人抓去，隻有兩條路：一條是出賣同誌，當叛徒；另一條是堅持到底，而她心裏早已暗暗作了選擇，為革命事業而犧牲，是無上的光榮，要殺要剮由他好了。”
1947年1月12日上午，正當劉胡蘭準備出發上山的時刻，敵軍包圍了雲周西村。她們把全村人趕到觀音廟前，並從人群中抓了幾個人關進廟裏審問拷打。劉胡蘭預感到情況不妙，她摘下奶奶留給她的銀戒指，又從口袋裏掏出八路軍一位連長送給她的一塊手帕——一位烈士的遺物和在她入黨時石世芳送給她的萬金油盒，一並交給繼母胡文秀。這三件小東西雖不值錢，卻是劉胡蘭最寶貴的紀念品。
閻錫山的軍隊把她也抓進了廟院。她看見先被抓來的幾個人被五花大綁著。敵軍特派員張全寶把劉胡蘭帶進西廂房開始進行審訊：
“你是不是共產黨員？”
“是。”
“為什麼參加共產黨？”
“共產黨是為老百姓著想的。”
“以後還給共產黨幹事不？”
“隻要有一口氣就幹到底。”
“隻要你當眾‘自白’，說出你是受了共產黨的騙，今後不會再給共產黨幹事了，我們就不會為難你。”
“呸，辦不到。”
隨後敵人又用物質引誘，但劉胡蘭像根本沒聽見一樣，一聲不吭。敵二連長許得勝氣衝衝地說：“別和她磨牙了，趁早拉出去鍘了算啦！來人！”兩個敵兵應聲進去將劉胡蘭架出了觀音廟。
整個會場籠罩在一片恐怖氣氛中。周圍三步一崗，五步一哨，荷槍實彈的敵軍槍口對著群眾；地上堆著幾十根打人的木棒，還有幾根被敵兵抓在手裏，他們氣勢洶洶地睜大眼睛，瞪視著人群。劉胡蘭冷靜地掃視一下全場，然後凝視著天空。
許得勝和張全寶大罵共產黨，同時叫人抬來三副鍘草刀，會場霎時一片騷動。張全寶宣布：“凡‘自白’的可以‘轉生’，不‘自白’的就要被處死。”“自白”的叛徒石五則和兩個群眾被當場釋放了；不“自白”的英雄群眾們卻麵臨著一場大屠殺：敵人先用亂棍將石三槐打昏，然後用鍘草刀將他的頭鍘下來，第二個鍘了石六兒，第三個是石世輝，第四個是八路軍退伍軍人張年成，第五個是劉樹山，第六個是72歲的陳樹榮……
突然，張全寶猛推了一下劉胡蘭，問道：“你是要死，還是要活？隻要你說‘我以後再不當共產黨了’，就立馬放你回去。”劉胡蘭用鄙視的眼光掃了他一眼。
張全寶大聲喝道：“難道你就不怕死？”
劉胡蘭斬釘截鐵地說：“怕死就不當共產黨員！”
張全寶氣急敗壞地說：“你，你……”
“說吧，我怎麼個死法？”
“怎麼個死法？和他們一個樣。”
劉胡蘭理了理兩鬢的頭發，從容地走向鍘刀，把頭放到刀床上。
張全寶走到劉胡蘭跟前，大聲喝道：“你要願意‘自白’，就滾起來！”
劉胡蘭仍用兩隻大眼盯著張全寶，嘴角浮起一絲冷笑。
張全寶聲嘶力竭地喊道：“給我鍘！”
鮮血像火山噴射的岩漿，濺落到四方……
劉胡蘭從容就義了！
1947年3月26日，毛澤東得知劉胡蘭烈士犧牲的消息後，當即揮筆寫下：“生的偉大，死的光榮”八個大字，對劉胡蘭的一生作了崇高的評價。