家人们都劝她赶紧撤退，但她一直坚持到底必须等到上级通知。又过去了一个多月，直到1947年1月11日夜，终于接到上级通知命令她转移。不料次日拂晓，国民党却突然包围了云周西村，刘胡兰因叛徒告密而被捕。审讯中，国民党千方百计，软硬兼施，想诱使其供出同党，并相许给她土地。刘胡兰顽强抗争百般不从，大义凛然最终从容就义。牺牲时年仅15岁，毛泽东主席知道后非常伤心，专门为刘胡兰题字:"生的伟大，死的光荣"。她也是唯一三代领导人均为其题字的英雄。

刘胡兰牺牲半年后，1947年8月1日中共党委决定破格追认刘胡兰为中国共产党正式党员。全国解放后，刘胡兰的事迹被写成书，改编成戏剧、电影、电视剧，生前所在村曾被改为"刘胡兰村"。1956年，在山西省文水县建立了刘胡兰纪念馆，在烈士家乡云周西村修建了烈士陵园，永志纪念。2009年9月10日，，刘胡兰被评为"100位为新中国成立作出突出贡献的英雄模范人物"。