赵寿山同志的一生十分曲折。他出生在一个贫苦的家庭，父亲早逝，留下他和母亲相依为命。幸亏族中长辈看他们孤儿寡母，生活艰难，常常施舍救济，才使他和母亲没有饿死。12岁那年，赵寿山便开始跟着村里的私塾老师读书识字。三年后，他已精通百家经典和西方天文地理，个人能力也愈发出众。
16岁那年，赵寿山立志从军报国，便告别母亲，离开户县老家，到西安参加冯玉祥将军创办的军官速成班。毕业后，他被分配到杨虎城将军麾下担任见习连长。1925年至1926年，他参加了艰苦卓绝的西安保卫战，击退了河南镇嵩军，取得了空前胜利。抗战胜利后，他被杨虎城将军提拔为亲卫团团长，军衔为上校。
1930年，他率部赴河南参加中原战争，结果在兰考遭中央军伏击，损失惨重，自己也中了流弹，受了重伤。幸亏增援部队及时赶到，击退了中央军，他才得救。次年，伤势痊愈的赵守山再次升官，成为少将旅长。同年下半年，他被派往陕南与红军作战，双方在安康、商洛激战，各有胜负。1935年，红军主动派人与他谈判，双方最终同意互不侵略，和平共处。
1936年，赵寿山回到西安，协助杨虎城发动西安事变，扣押了蒋介石、卫立煌等国民政府要员。这一举动直接促成了国共第二次合作，内战随即宣告结束。抗日战争爆发后，赵寿山任西北军一个师的师长，参加了1937年7月下旬的津京唐战役，但被日军击败。同年11月，在太原与日军正面交锋，仅两天一夜，所部死伤过半，粮食、物资全部在战斗中损失殆尽，惨烈至极！
当年12月，赵守山奉命撤回陕西休养。路过延安时，他专程拜见了毛主席和周总理。主席和总理对他十分欢迎，不仅亲自设宴款待他，还陪同他视察了抗日军政大学、陕北公学等教育机构。当时延安的物质生活十分贫乏，共产党员平时吃的都是五谷杂粮、野菜，逢年过节才能吃上一点肉。但同志们从不叫苦叫累，大家始终保持着昂扬的斗志和饱满的精神，满怀热情地投身于革命事业。
这让赵寿山大为震惊，他对共产主义产生了浓厚的兴趣，进而慢慢转变为一名左翼爱国者。从1939年开始，赵寿山邀请了数百名共产党员到自己所在的部队担任连、营级干部，向战士们传播红色思想和爱国理论，提高部队的组织性和凝聚力。但没过多久，这件事就传到了蒋介石的耳朵里。蒋介石对此大怒，立即将赵寿山从指挥岗位调到闲置部队。同时，对赵寿山的部队展开「大清洗」，清洗队伍中的共产党员。
1946年，蒋介石准备刺杀赵寿山，幸好共产党提前察觉到危险，及时将赵寿山调往解放区保护，挫败了蒋介石的阴谋。1948年，赵寿山受中共中央命令，任西部野战军副司令员，协助彭德怀将军发动黄龙、铜川、西安、兰州等战役，一举击溃了胡宗南集团和臭名昭著的马家军，一举解放了西北。
中华人民共和国成立后，赵寿山先后担任青海省、陕西省省长，为西北的开发建设作出了许多贡献。1955年军队授勋大会上，有同志建议授予赵寿山中将军衔，毛主席没有同意这个建议。主席认为，赵寿山虽然对革命有贡献，但贡献有限，不值得授予上将军衔；而且他已经离开军队，完全转入行政系统，不符合授衔规定，所以赵寿山最后没有获得任何勋章。
20世纪60年代初，赵寿山突然感到胸部疼痛，并有强烈的灼热感，急忙到医院检查，被确诊为食道癌。党中央得知后，立即暂停他的工作，安排他住进医疗条件最好的解放军总医院治疗。1965年，赵寿山的病情突然加重，医生束手无策，只能设法用药物来延缓他的疼痛。同年6月下旬，他不幸去世，终年71岁。
赵寿山逝世三天后，党中央为他举行了隆重的葬礼，朱镕基亲自致悼词，周总理、邓小平、刘少奇等中央领导同志也到场吊唁，送别赵寿山。他的骨灰被安放在八宝山，在苍松翠柏间长眠！
