赵寿山同志的生平非常曲折，他出身贫苦家庭，父亲早早病逝，独留他与母亲相依为命，好在族里的长辈看他们孤儿寡母生活不易，时常予以接济，他和母亲这才不至于饿死。12岁那年，赵寿山开始跟着村里的私塾先生读书、识字，三年后他已然通晓百家经典与西方天文、地理知识，个人能力愈发出众。
16岁时，赵寿山萌生了从军报国的志向，于是便辞别母亲、离开户县老家，前往西安投靠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年到1926年，他参加了保卫西安的艰苦战斗，击退了河南的镇嵩军，取得了一场史无前例的大胜。战后，他被杨虎城将军提拔为亲卫团长，领上校军衔。
1930年，他率部开赴河南参加中原大战，结果在兰考一带遭遇中央军伏击，部队损失惨重，他本人也被流弹击中、身负重伤，好在援军及时赶到，击退了中央军，他这才转危为安。次年，伤愈的赵寿山再度获得提拔，成为少将旅长，同年下旬，他被派往陕南与红军作战，双方先后在安康、商洛爆发激烈战斗，互有胜负。1935年，红军主动派人和他谈判，双方最终约定互不侵犯，和平共处。
1936年，赵寿山返回西安，并协助杨虎城发动了西安事变，扣押了蒋介石、卫立煌等一众国府要员，此举直接促成了国共第二次合作，内战随即宣告结束。抗战爆发后，赵寿山出任西北军某师师长，他在1937年7月下旬参加了津京唐会战，结果被日军打得大败，当年11月，他又在太原与日军展开正面交锋，仅仅两天一夜的功夫，他的部队便伤亡了一半，粮草、辎重则在战斗中全部遗失，可谓惨烈！
当年12月，赵寿山奉命撤回陕西休整，途经延安时他专门去拜会了毛主席、周总理，主席和总理对他十分欢迎，不仅亲自设宴招待他，而且还陪着他考察了抗大、陕北公学等教育机构。当时延安的物质生活非常贫瘠，共产党人平时吃得是各种杂粮和野菜，每逢节假日才能吃上一点荤腥，可同志们却从来没有叫过一声苦、喊过一声累，大家始终保持着高昂的斗志和饱满的精神，热情的投入到革命事业中。
这让赵寿山大受震撼，他由此对共产主义产生了浓厚兴趣，进而慢慢转变为一名左翼志士。从1939年开始，赵寿山陆续邀请了上百名共产党人到自己的部队担任连、营一级干部，向广大士兵传播红色思想和爱国理论，以提高部队的组织度与凝聚力。但没过多久，此事便传到了蒋介石的耳朵里，老蒋为此大发雷霆，随即将赵寿山调离指挥岗位，安排到清闲单位任职，同时对赵寿山所部展开“大清洗”，以肃清队伍中的共产党人。
1946年，蒋介石准备暗害赵寿山，好在共产党人提前察觉到了危险，及时将赵寿山转移到解放区保护起来，挫败了老蒋的阴谋。1948年，赵寿山奉中共中央命令出任西野副司令，他协助彭老总先后发起了黄龙、铜川、西安、兰州战役，一举击败了胡宗南集团和臭名昭著的马家军，一举解放了大西北。
建国后，赵寿山先后担任青海省长、陕西省长，为西北的发展与建设做出了诸多贡献。1955年大授衔期间，有同志建议给赵寿山授予中将军衔，但毛主席却并未同意该建议，主席认为赵寿山虽然于革命有功，但功劳有限，不足以授将衔；再者，他已经脱离部队，彻底转入行政系统，不符合授衔规定，因此赵寿山最终没有获得任何荣勋。
60年代初，赵寿山突然觉得胸部胀痛，并伴有一股强烈的灼烧感，他当即赶往医院做检查，结果被诊断出患上了食道癌。党中央得知此事后，当即暂停他的工作，并安排他住进医疗条件最好的解放军总医院接受治疗。1965年，赵寿山的病情突然加重，医生对此束手无策，只能尽量用药物延缓他的病痛。当年6月下旬，他不幸病逝，时年七十一岁。
在赵寿山去世三天之后，党中央特地为他举办了一场盛大的葬礼，朱老总亲自为他致悼词，而周总理、邓公、刘帅等中央高干也悉数到场吊唁，送他最后一程，他的骨灰则被安置在八宝山，长眠于苍松翠柏之间！