李林与骑兵战士们浴血奋战，甩开了围追堵截的敌人，到达比较平坦的开阔地带，如继续向东南方向的屯巷、大坪村庄冲下去，完全可以脱离险境，安全转移。然而，李林听到东平太村方面的枪炮声仍很激烈，担心赵仲池、郑林、姜胜和地、专机关人员还未突围出来，因此，她命令骑兵战士停止南行，大声地说：“同志们！我们大批同志还处在敌人包围之中，我们有责任去解救他们！"随即，李林与骑兵战士们调转马头，像猛虎一般向西北方面冲杀回来。　　

　　李林的回马枪，完全出乎敌人的意料之外，使日伪军一下子措手不及。已散布在山头上的日伪军，正准备向东平太村收缩包围圈，解决被包围的我地、专机关人员，没想到冲出去的八路军骑兵部队又杀了回来。因此，敌人不得不重新组织兵力，重点来对付这支像猛虎一样的骑兵。　　

　　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。