公元1937年7月7日，日军发动了震惊中外的“卢沟桥事变”，抗日战争全面爆发，中国共产党领导的八路军、新四军全面开赴抗日前线。文水人民在中国共产党的领导下，也组织了抗日游击队，与日本侵略军展开了英勇斗争。不久，八路军来到文水，同人民一道抗战，刘胡兰和云周西村人民一起欢迎子弟兵。
刘胡兰的祖母经常给她和妹妹爱兰讲苦难的家史和村史，父亲刘景谦经常和乡亲们一起去根据地给八路军送粮食、布匹，他常对女儿说：“答应下八路军的事，咱就是拼上命也要完成。”
在艰苦的日子里，平川坚持斗争的八路军日夜活动在青纱帐里，刘胡兰常随情报员为八路军送干粮，传情报。抗日干部们顽强斗争的精神，给了她深刻的教育。
1945年1月，文水县工委领导全县万余军民打下了西社据点，夺回粮食50多万公斤，刘胡兰参加了这次大规模的战斗，经受了战火的考验。5月，八路军伏击了偷袭云周西村的日本侵略军，在战斗中，刘胡兰和青年们主动上前线为八路军送弹药，救护伤员。
八年抗战终于取得了胜利，1945年9月1日，八路军打下了文水县城。第二天，文水万余群在县城集会，欢庆胜利，文水县人民掀起了拥军热朝。中秋节，刘胡兰和乡亲们一起慰问八路军。刘胡兰像一颗幼松迎着抗日的烽火茁壮成长起来。
由于敌人的骚扰，“妇训班”曾几次转移，途中，刘胡兰拿文件、背粮食，帮助体弱的学员扛行李。她常常鼓励大家说：“八路军打仗死都不怕，咱们还能怕困难，怕困难哪能干革命……”
1946年秋天，国军队大举进攻陕甘宁边区，住文水一带的八路军调往晋西作战，阎锡山趁机扫荡晋中平川，形势恶化。为了保存革命力量，减少不必要的牺牲，中共文水县委根据上级指示，决定留少数干部组织“武工队”，坚持敌后斗争，大批干部转移上山，刘胡兰也接到上山的通知。但经过锻炼逐渐成熟起来的刘胡兰，想到自己年龄小易于隐蔽，敌后工作更需要她，请求留下来坚持斗争，上级批准了她的请求。在艰苦的环境里，她深入敌区；收集情报，发动群众，开展斗争。经常出入“青纱帐”，隐匿“古墓穴”；配合“武工队”打击敌人，协助“武工队”镇压了云周西村罪大恶极的反动村长石佩怀。
铡刀前，刘胡兰止步回首，泰然自若地告别了父母，告别了养育她的家乡土地和勤苦勇敢的乡亲们。“永别了，乡亲们，战斗吧，同志们，敌人的末日不远了，胜利一定是我们的。”她鄙视了一眼垂死挣扎的敌人，甩了甩披在脸上的短发；仰望翻滚的乌云，环顾万里江山……她坚信，黑夜即将过去，祖国的明天将阳光灿烂，就在生命的最后一息，刘胡兰同志高呼：“中国共产党万岁！毛主席万岁！”她从容地走向铡刀……
刘胡兰牺牲半年后，1947年8月1日中共晋绥分局决定破格（通常年满18岁方可转正）追认刘胡兰为中国共产党正式党员。不久，解放军攻克文水县城，杀害烈士的阎军连长许得胜、大胡子张全宝等先后被公审处决。