Đầu năm 1943, trong một lần đưa thư từ Đào Ngạn trở về đến Bản Hoong, anh Kim Đồng phát hiện có giặc đang lùng sục bắt cán bộ vì biết đêm nay có cuộc họp của Tổng bộ Việt Minh. Lúc này, anh đã nhanh trí báo cho các đội viên tìm cách truyền tin cho các cán bộ. Sau đó, anh đánh lạc hướng và tập trung lực lượng của giặc về phía mình. Tiếng súng khiến anh hy sinh cũng chính là tiếng súng báo hiệu cho các đồng chí cán bộ rút lui về núi rừng an toàn. Khi đó là rạng sáng ngày 15/2/1943, anh hy sinh khi tròn 14 tuổi tại đầu Phai Mục trên cánh đồng Nà Mạ, gần dòng suối Lê Nin.
Anh Kim Đồng đã được Đảng và Nhà nước phong tặng danh hiệu Anh hùng Liệt sỹ năm 1997. Khu di tích Kim Đồng được xây dựng ngay trên quê hương anh gồm có mộ anh Kim Đồng và tượng đài khang trang tại chân rặng núi đá cao vững chắc, bên cạnh là 2 cây nghiến xanh biếc, luôn toả bóng mát với những làn gió vi vu, như đang ru anh yên giấc ngàn thu.