之后，雁北抗日游击队合编为八路军一二○师独立六支队骑兵营，李林任教导员。1938年7月，李林奉命率骑兵营护送绥南工作团北上，待工作团完成任务后再掩护他们返回雁北右玉县。李林率骑兵营一日行军140里，突破敌人的封锁线，将工作团送到绥南，又昼夜行军200余里，赶到位于大同附近的敌人据点，一举歼灭了敌人，连战告捷。此役之后，她名震晋绥。

    1940年4月下旬，日寇调集上万兵力，向晋绥边区抗日根据地进行第九次扫荡。晋绥边特委、专署机关干部、群众500多人，在山西平鲁县东平太村被敌包围，情况万分危急。

    4月26日拂晓，大队人马开始突围。为掩护干部群众，吸引敌人的注意力，李林一马当先率领骑兵连向相反方向拼杀，冲出包围圈，但发现大队人马尚未脱险时，又率部掉转马头闯入敌阵。一时间，马蹄声不断，喊杀声震天，几十匹战马掀起冲天的尘雾，敌人不知虚实，误认为她们是突围的主力，慌忙调集周边日伪军，向李林骑兵连的方向压过来。利用这个时机，部队和群众得以安全撤退。

    而李林骑兵连的几十名战士相继壮烈牺牲，李林的战马中弹，她从马背上摔了下来，右腿中弹，前胸也受伤，但她咬牙忍着伤痛顽强抵抗，击毙了数名敌人。最后，在敌人“抓活的”的狂叫声中，她对准自己的喉咙扣动了扳7cfd978e机……

    李林牺牲时年仅24岁，腹中还怀有3个多月的胎儿。

    李林的牺牲，给雁北地区人民带来了极大的悲痛。特委、专署、抗联联合为她举行了隆重的追悼会。李林这位爱国归侨女青年为国捐躯的英雄壮举，党和人民给予她很高的评价。李林牺牲不久，中共中央妇委发来唁电，高度评价她的英雄业绩：“20余岁之青年李林同志，自1937年夏起，即在前方英勇杀敌，不仅是我们女共产党员的光辉模范，而且是全国同胞所敬爱的女英雄。今竟英年战死，实我中华民族——特别是我国妇女界一严重损失，中共中央妇委对死者表示沉痛哀悼。”当时，党的许多报刊上也都发表了李林烈士的英雄事迹，称其为“中华民族英雄的最光荣典型”！当时延安的《中国妇女杂志》、重庆的《新华日报》等许多解放区和大后方的报刊都发表了她的英雄事迹。解放后，雁北人民、上海爱国中学和厦门集美学校都为这位著名的抗日女英雄修建了烈士陵园和纪念馆，她永远活在中国人民的心中。

    1972年，周恩来总理和邓颖超同志到大同视察时，曾指示要宣传李林烈士为国献身的伟大精神。她献身的地方——山西平鲁在《重修李林碑文》中给予她极高的评价：“李林同志是中华民族的优秀女儿，中国共产党的模范党员，在她革命的一生中，对敌骁勇讨杀，建功卓著，与人民血肉相连，亲如手足，对祖国无限热爱，赤胆忠心，为革命坚贞不屈，鞠躬尽瘁”。