李林与骑兵战士们，在敌人据守的各个山头上左冲右闯拼杀了几个回合后，听到东平太村方面的枪声渐渐稀疏下来，估计地、专领导和机关人员已突围转移，便指挥骑兵战士们向东突围，以继续分散敌人的兵力，为东平太村的机关人员突围转移创造条件。可是，敌人已对她们形成新的包围圈。在小郭家窑附件，敌人的一颗手榴弹在李林身边爆炸，战马被炸死。她被从马上摔下来，一名战士见她倒在地上，正要下马扶她，被她厉声喝住：“干什么？快往前冲！”紧跟李林战斗的两名战士亦中弹牺牲，只剩下李林一人。李林抢占到山上的一座小庙，李林咬着牙爬行到一处地塄下，佯装昏了过去躺着不动。当敌人扑上来时，她突然坐起，一手拿驳壳枪，一手拿小八音枪连连射击，6个敌人应声倒地，其余敌人慌忙退了回去。
这时，李林已多处负伤，驳壳枪的子弹已全部打光，小八音手枪只剩下一粒子弹。面对越来越近的众多敌人，李林自知已无力突出重围，毅然扣动小八音枪机，将最后一颗子弹打进自己的喉部，壮烈牺牲。敌人怎么也不相信这样顽强拼搏的是一位女八路。最后在打扫战场时，敌人才发现令他们丧胆的是一位女八路。日本侵略者也不得不说：“女八路的真厉害！”
李林牺牲后，党中央机关报和重庆的《新中华报》《新西北报》相继发表消息、社论和悼念文章，以醒目的标题称赞李林是“女共产党员的光辉楷模！”“中华民族的英雄！”晋绥分局和中央妇委专门为她开了追悼会。解放后，政府把她的遗骨安放在平鲁县烈士陵园，并立碑纪念。
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