1946年5月，刘胡兰调任第五区“抗联”妇女干事;6月，刘胡兰被吸收为中共预备党员，并被调回云周西村领导当地的土改运动。
1946年秋，国民党军大举进攻解放区，文水县委决定留少数武工队坚持斗争，大批干部转移上山。当时，刘胡兰也接到转移通知，但她主动要求留下来坚持斗争。这位年仅14岁的女共产党员，在已成为敌区的家乡往来奔走，秘密发动群众，配合武工队打击敌人。
云周西村的反动村长石佩怀，为阎锡山军派粮派款、递送情报，成为当地一害。1946年12月的一天，刘胡兰配合武工队员将其处死。阎锡山匪军恼羞成怒，决定实施报复行动。1947年1月12日，阎军突然袭击云周西村，刘胡兰因叛徒告密而被捕。
她镇静地把奶奶给的银戒指、八路军连长送的手绢和作为入党信物的万金油盒——三件宝贵的纪念品交给继母后，被气势汹汹的敌人带走。刘胡兰在威逼利诱面前不为所动，被带到铡刀前眼见匪军连铡了几个人，怒问一声：“我咋个死法?”匪军喝叫“一个样”后，她自己坦然躺在刀座上。刘胡兰烈士牺牲时，尚未满15周岁。
毛泽东在指挥全国战局之余，为刘胡兰题词：“生的伟大，死的光荣!”刘胡兰是已知的中国共产党女烈士中年龄最小的一个。