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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