1936年初，赵志萱参加平津学生扩大宣传团，徒步沿平汉路南下，一路深人工农群众，宣传抗日，唤起民众，向政府请愿抗日。不久，被吸收为中华民族解放先锋队第一批队员。1936年4月，在燕京大学加入中国共产主义青年团。同年6月，转为中国共产党正式党员。不久，被选进燕京大学学生会，任平民教育部长。其间与地下党员王龙宝、靳明创办了第一座平民学校，并担任该校校长和党小组组长。在燕京大学，她做了大量学生运动、平民教育和妇女运动方面的工作。曾与庞文华一起做刘清扬、刘王立明等妇女界名流的统战工作，使她们领导的妇女会和青年会，在宣传停止内战、团结抗日上发挥了积极的作用。

1937年“七·七”事变后，赵志萱离开北平，流亡武汉等地。1938年3月到达延安，在陕北公学院学习，毕业留校，任陕北公学院分校女生区队副队长。1939年到延安马列学院学习，获“模范妇女”称号，受到学院表彰。1940年在毛泽东青年干部学校任教育科长。1942年到中共西北局宣传部工作。

1945年抗战胜利后，赵志萱主动申请回东北，参加和领导了黑龙江地区密山县、半截河、永安乡的土地改革斗争。1947年4月，调任勃利县委组织部长。1948年5月，任中共合江省委员会妇委副书记，组织领导了合江省的妇女运动。1949年5月，调任合江省民主妇女联合会妇女部长，组织筹备召开了合江省第一次妇女代表大会，会后任妇女联合会主任。7月，调任中共辽宁省沈阳市委委员、沈阳市总工会女工部部长，全身心地投入经济建设。赵志萱先后担任过几家著名工厂的领导工作。1949年9月，任沈阳毛织厂厂长，领导全厂工人大胆进行技术革新，创造了先进的“东北织呢法”。1951年被东北纺织工业部授予“模范厂长”称号。1952年8月，调任大连机床厂厂长，主持试制成功我国第一台齿轮车床，使产品遍销世界50多个国家和地区。

1955年5月，赵志萱从大连调到哈尔滨锅炉厂，任副厂长兼总工程师。锅炉厂是国家第一个五年计划期间，苏联援建的156项重点工程之一。国家要求三年完成建厂任务，全面开工生产。赵志萱到厂时，大规模土建工程已全面铺开，设备工程也已开始，全面开工的生产准备工作亟待进行。赵志萱到任后，根据组织设计和工厂特点，把作业计划的原则推广到生产技术准备工作，使之做到计划化和制度化。她作风严谨，工作踏实，善于科学有序地组织各环节生产，特别重视基层工作和基础工作。她认为全面开工生产的基础在车间，在组织煤气站、工具车间和阀门车间的生产中，凡不达标的都不许开工。在严格要求下，建立起良好的车间生产制度和管理秩序，保证了三年建厂全面开工生产的目标。她非常重视工段和班小组的建设，亲自培育出配件车间以优质高产而闻名全市的“穆桂英工段”。

1958年2月，赵志萱离开锅炉厂，到清华大学干部特别班机械制造专业学习深造。1959年11月以优异成绩结业归来，任哈尔滨汽轮机厂副厂长。从1959年11月至1966年5月，由副厂长到厂长，参与领导了中国第一台自行设计60万千瓦火电机组的研制工作，并筹建了哈尔滨发电设备成套设计研究所，成为该所奠基人之一。

“文化大革命”期间，赵志萱受到不公正的待遇。从1966年6月至1974年，在长达8年之久的时间里，一直被隔离审查，停止工作。1974年降任汽轮机副厂长之后，也一直没有安排具体工作。1975年被借调到黑龙江省机械局，负责领导试制60万千瓦发电成套设备工作，同时帮助筹建电站成套公司。

1978年3月，赵志萱调任中国科学院电工研究所所长兼党委书记，科学院能源委员会副主任，国务院技术经济中心顾问。在短短的3年，为电工所确定了主攻方向，相继攻克了许多高、精、尖实验项目。

1982年9月27日，赵志萱因胃癌医治无效，于北京逝世。终年67岁。根据赵志萱生前遗嘱，将遗体献给国家作医学研究，不开追悼会，不举行遗体告别仪式，骨灰撒在祖国海洋里。

延安时期，与陕北公学关中分校政治部组织科长陈伯村结婚，育有四个子女。