Năm 1932, bà bắt đầu tham gia phong trào cách mạng của Đảng Cộng sản Đông Dương[1], thường canh giữ cho cha trong các cuộc họp bí mật.[4] Tháng 3 năm 1938, bà theo bác gái Lê Thị Quế vào Huế gây dựng cơ sở hiệu buôn nước mắm An Long.[5] Tháng 5 năm 1938, bà được kết nạp vào Đảng Cộng sản Đông Dương khi mới 17 tuổi.[6] Sau đó, bà trở về Quảng Trị hoạt động.[7][8][9][10]

Tháng 10 năm 1940, theo chủ trương của Tỉnh ủy Quảng Trị, Phủ ủy Triệu Phong và Huyện ủy Cam Lộ tổ chức rải truyền đời kêu gọi người dân hưởng ứng khởi nghĩa Bắc Sơn, đánh đuổi phát xít Nhật và thực dân Pháp. Chính quyền thực dân tiến hành khủng bố trong ba tháng, phần lớn các cơ sở Đảng bị phá hủy, gần như tất cả các đồng chí trong Huyện ủy Cam Lộ đều bị bắt, chỉ có bà là chạy thoát. Để truy lùng tung tích của bà, thực dân Pháp đã tra tấn cha bà (đang bị đày ở nhà tù Lao Bảo) đến chết.[1][11]

Tháng 8 năm 1941, bà tham dự Hội nghị Tỉnh ủy ở làng An Nha (Gio Linh) với tư cách là cán bộ của Tỉnh ủy.[12] Trong hội nghị này, bà cùng Đặng Thí, Bùi Trung Lập được bổ sung vào Tỉnh ủy Quảng Trị, phụ trách địa bàn Hải Lăng.[1][13] Từ tháng 5 năm 1942, trước sự khủng bố, vây quét của chính quyền thực dân, Xứ ủy Trung Kỳ và nhiều cơ sở các cấp bị vỡ. Các thành viên trong Tỉnh ủy Quảng Trị là Trương An, Lê Chưởng, Trương Hoàn, Đặng Thí, Bùi Trung Lập, Trần Thị Biền lần lượt bị bắt, Trần Xuân Miên và Nguyễn Đức Thưởng chuyển sang địa bàn khác để tìm cách tái lập Xứ ủy. Tháng 8, Tỉnh ủy Quảng Trị được củng cố với các Tỉnh ủy viên Lê Thị Diệu Muội (Bí thư lâm thời), Cổ Văn Em, Thao, Hồ Văn Xích.[14] Bà trở thành Bí thư Tỉnh ủy khi mới hai mươi tuổi.

Ngày 21 tháng 11, bà bị bắt ở huyện Triệu Phong, tiếp đó là toàn bộ các Tỉnh ủy viên.[15] Cuối năm 1942, bà bị kết án 20 năm tù khổ sai, 20 năm quản thúc, lưu đày ở nhà tù Quy Nhơn.[1] Tháng 3 năm 1945, tận dụng thời điểm Nhật đảo chính Pháp, bà cùng nhiều đồng chí vượt ngục, trở về quê nhà tiếp tục hoạt động.[16]