在艰苦的地下斗争中，刘天章曾四次被捕入狱，始终保持了共产党人的崇高革命气节。1930年春，刘天章在天津被晋系军阀逮捕下狱，经受了各种折磨和摧残。但他坚不吐实，一直未暴露真实身分和党的组织机密。后奉系军阀入关，晋军退出天津，刘天章等政治犯乘机出狱。

    1931年10月，由于叛徒的出卖，刘天章和阴凯卿、任国桢在太原被捕，敌人将他们押解到太原警备司令部，拉出张绍武等四个叛徒出庭作证，供出了刘天章的真实姓名和身分。随即对他软硬兼施，先是劝诱，诱降无效，便施以酷刑。坐老虎凳、压杠子、抽皮鞭、灌辣椒水等等。还用烧红的烙铁，烙在刘天章裸露的身体上。只听见皮肉“滋滋”的响，青烟屡屡冒出，空气中顿时散发出皮肉烙烤的焦糊味。敌人用尽了种种惨无人道的刑罚，将刘天章被折磨得死去活来，遍体鳞伤，但得到的回答只有一句话：“不知道！”

    敌人的酷刑没有使刘天章等屈服，最后将他们移交给阎锡山新成立的山西临时军法会审处继续审讯。刘天章把法庭当战场，对审判中提出的问题逐条据理驳斥，义正辞严地质问敌人：共产党救国救民，拯救民族危亡，何罪之有?敌人被驳得理屈词穷。

    1931年11月13日，阴森的气氛笼罩着太原。审判庭杀气腾腾，刀枪林立。全城交通断绝，通往刑场的路上布下了严密的岗哨，敌人要下毒手了。刘天章、阴凯卿、任国桢等同志在法庭上对敌人骂不绝口，宣判还未结束，就齐声高呼口号。敌人惊慌失措，急惊用棉花将他们的嘴塞上，在场的群众无不为他们的英雄气概所感动，连一些卫兵也惊叹不已。当天下午，刘天章和阴凯卿、任国桢在太原小东门外英勇就义。年仅35岁的刘天章，为中华民族的解放事业英勇地牺牲了。

    在他短暂的一生中，为宣传救国救民的真理，创建和发展北方党团组织，领导陕西、河南和山西人民开展革命斗争，创建红二十四军和晋西游击队，作出了重要的贡献。他把全部心血和年轻的生命献给了中国人民的解放事业，直到生命的最后一刻，还将自己身上穿的唯一的一件旧毛衣脱下，交给狱中的党员，作为最后一次党费。他不愧是铮铮铁骨的关中汉子，不愧是李大钊同志的优秀学生，不愧是三秦大地的优秀儿女，也是我们高陵人的骄傲！  

    刘天章遇难后，他的女儿刘雪琴、儿子刘德生前赴后继，毅然投身到父亲未尽的革命事业中。全国解放后，党和人民找到了烈士的遗骸，在太原市双塔革命烈士陵园，为他举行了隆重的安葬仪式。

    将军作家金一南在《苦难辉煌》一书中说：任何民族都需要自己的英雄。真正的英雄都具有那种深刻的悲剧意味：播种，但不参加收获！刘天章烈士就是这样的英雄。