בשנת 1924 עלו בני הזוג לארץ ישראל. בני הזוג ושני הילדים התגוררו בדירה ארעית ברחוב הירקון בתל אביב, סימה עבדה ככימאית לצדו של חיים ויצמן במכון זיו, גילגולו הקודם של מכון ויצמן למדע, וחיים המשיך בפעילותו הציונית. בין השנים 1927 ל-1929 היה ארלוזורוב בשליחות בארצות הברית וסימה ובתה הקטנה נלוו אליו. ב-1931 נתמנה חיים ארלוזורוב לראש המחלקה המדינית של הסוכנות היהודית, דהיינו לשר החוץ של המדינה שבדרך. במסגרת תפקידו יצא פעמים רבות למדינות חוץ. בשנת 1931 השתתף בקונגרס הציוני ה-17 בבזל וסימה נלוותה אליו.
הרצח.
עם עליית אדולף היטלר לשלטון בגרמניה, בשנת 1933, החל ארלוזורוב לפעול להעלאת יהודי גרמניה, ובארגון מנגנון בשם "הסכם העברה" ובעקבותיו הקמת "חברת העברה", שנועדו להציל את רכוש יהודי גרמניה ולהביאו לארץ ישראל. באותה שנה יצא לברלין כדי לבדוק אפשרות למשא ומתן עם הממשלה הגרמנית בעניין יהודי גרמניה ורכושם.
תוך כדי מסעו לגרמניה, התנהל בארץ, כנגדו וכנגד תוכניותיו, מסע בעיתון "חזית העם" הרוויזיוניסטי, שהיה ביטאונו של האגף הקיצוני בתנועה הרוויזיוניסטית.
ארלוזורוב שב לארץ ישראל ב-14 ביוני 1933. בליל שבת, 16 ביוני 1933, בשעה 21:30, ישבו ארלוזורוב ורעייתו סימה בפנסיון "קטה דן" (כיום מצוי במקום "מלון דן") בתל אביב, במרפסת הפונה אל הגן. כשהבחינו כי קהל סקרנים נקהל סביבם, החליטו לצאת לטיול רגלי לאורך חוף הים לכיוון צפון. בהתקרבם לבית הקברות המוסלמי בקצה שכונת מחלול הבחינה סימה בשני גברים שהלכו בעקבותיהם, האחד גבוה ומגודל, והשני קטן ונמוך. שני הגברים החישו את צעדיהם, חלפו על פני בני הזוג. לבה של סימה ניבא לה רעות והיא העירה על כך לבעלה, שהגיב בביטול. שני הגברים נעצרו, והגבוה עמד בפישוק רגליים והטיל את מימיו, כשחברו ממתין לו. בני הזוג שוב הקדימו את שני הגברים. עתה נגלו לעיניהם אורותיה של שכונת מגורים חדשה שמדרום לשפך הירקון, שנקראה אז "שכונת הירקון". בני הזוג נכנסו לשכונה ושוטטו בין בתיה, ולאחר מכן חזרו לחוף. הם פנו דרומה והלכו בסמוך לקו המים. אז גילו שוב את שני הגברים פוסעים לפניהם ומאיטים. בני הזוג חלפו על פניהם ושני הגברים החישו צעדיהם וחלפו על פני בני הזוג. חילופי מקומות אלה אירעו מספר פעמים. כשהתקרבו לחלק הבנוי של תל אביב, בהיותם ליד הגבעה שעליה בית הקברות המוסלמי (מקום עליו ניטע לימים גן העצמאות) פנו שני הגברים לעבר בני הזוג. הגבוה האיר בפנס את פניו של ארלוזורוב (כדי לזהותו). התפתח דין ודברים קצר. ארלוזורוב שאל את השניים מדוע הם מפריעים, וסימה ביקשה כי יעזבו אותם. העוקב הגבוה שאל בעברית "כמה השעה?" (ביטוי שתיוחס לו בהמשך חשיבות רבה בפרשה). ארלוזורוב השיב כי אין זה עסקו, ושוב חזר הגבוה על שאלתו. בני הזוג המשיכו בצעידתם ואז התייצב מולם העוקב הנמוך, שלף אקדח וירה בארלוזורוב. המתנקש ובן לווייתו הסתלקו בריצה ונעלמו.
מספר זוגות אוהבים שהיו בסביבה נזעקו לזעקותיה של סימה ונשאו את ארלוזורוב למבנה סמוך של מפעל לעיבוד עורות, בעוד סימה רצה לפנסיון קטה דן כדי לטלפן משם כדי להזעיק אמבולנס. יותר לא תראה עוד את בעלה בחיים.
בינתיים האנשים שהיו סביב ארלוזורוב החליטו שלא להמתין לאמבולנס והובילו את ארלוזורוב במכונית פרטית לבית החולים הדסה. ארלוזורוב, שנפצע מקליע אחד בבטנו, סבל משטף דם פנימי גדול. הוא הספיק לדבר עם כמה אנשים, בהם השוטר יואב פלג, לימים הממונה על משרד המשטרה, שגבה ממנו עדות. ארלוזורוב אף ביקש מהאחות (שאותה הכיר) לקרוא לאשתו סימה. הוא קרא בשמה מספר פעמים. אף על פי שפציעה כזאת לא נחשבת לאנושה, המחסור בציוד לביצוע עירוי דם בבית החולים הוביל לפטירתו של ארלוזורוב כתוצאה מ"חוסר-דם חריף" כעבור שלוש שעות.
סימה הגיעה למלון וניסתה לטלפן למגן דוד אדום, אך מרוב התרגשות לא הייתה מסוגלת לעשות זאת, ובעלת המלון נטלה מידה את השפופרת והזעיקה אמבולנס. סימה בלוויית בעלת המלון חזרה למקום בו השאירה את בעלה, ושם נאמר לה כי הוא הובל לבית החולים. שתי הנשים חזרו לפנסיון, שם כבר המתין להם השוטר שרמייסטר. סימה סיפרה לו על האירוע והוא התקשר להודיע על כך למשטרת יפו ומסר כי שני ערבים התנקשו בחייו של ארלוזורוב. סימה הוסעה לחדר החקירות של המשטרה הבריטית בתל אביב, שם הוצגו בפניה אלבומי תמונות, אך היא לא זיהתה איש. אחרי מספר שעות שבה לבית החולים. ארלוזורוב היה בחדר הניתוחים, וסימה לא הורשתה להיכנס לחדר. את ארלוזורוב ראתה רק כשגופתו הועברה לחדר המתים. במקום נכח הארי רייס, ראש הבולשת הבריטית, שהיה מקורב לחיים וסימה. הוא רשם בפנקסו את הודעתה של סימה שמסרה לו את תיאור המתנקשים: האחד בריא גוף בעל גובה בינוני, שיערו חום-אדמדם ומתנועע בהליכתו כברווז, והשני קטן קומה ושיערו כהה.
סימה נפרדה מבעלה המת. אחת האחיות מסרה לה את הטבעת שהוסרה מעל אצבעו וסימה ענדה אותה מעל טבעתה.
הזיהוי.
לאחר הרצח התרכזה המשטרה בחקירתה בחשד שהופנה אל אנשי התנועה הרוויזיוניסטית, אך לא זנחה גם את חקירתה בכיוון חשודים ערבים וקומוניסטים. לבסוף נעצרו שני החשודים ברצח, אברהם סטבסקי וצבי רוזנבלט. אב"א אחימאיר נעצר כחשוד בהסתה לרצח.
סטבסקי, שגר יחד עם אב"א אחימאיר בשכירות בצריף קטן ודל בשכונת הקווקזים בתל אביב, נעצר ב-19 ביוני 1933. מעצרו נעשה לאחר שבעל הבית שלו פנה למשטרה ומסר כי הדייר שלו דומה לתיאורו של היורה הגבוה במודעה שפרסמה המשטרה.
צבי רוזנבלט נעצר ב-23 ביולי 1933. החשד כלפיו התעורר בעקבות הודעה של צעירה בשם רבקה פייגין, לשעבר חברת פלוגת בית"ר בכפר סבא, שפנתה לוועד הפועל של ההסתדרות הכללית, יריבתה הראשית של התנועה הרוויזיוניסטית, ומסרה כי העורך הראשי של "חזית העם", שבועון התנועה הרוויזיוניסטית, גילה לה כי איש פלוגת בית"ר בכפר סבא, צבי רוזנבלט - או חבר אחר מ"ברית הבריונים", צבי שניידרמן, הוא שירה בארלוזורוב, וכי אברהם סטבסקי הוא האיש שהאיר בפנס.
סימה ארלוזורוב, שהייתה עדת ראייה לרצח בעלה, נקראה לזהות את שני החשודים.
הזיהוי של סטבסקי.
ההלוויה של חיים ארלוזורוב נערכה ב-18 ביוני 1933. לאחר ההלוויה נסע מפקד הבולשת הארי רייס למשטרת תל אביב, שם קיבל עותקים מתמונתו של סטבסקי בדרכונו וזימן עצמו לפגישה עם סימה ארלוזורוב באותו ערב. לפני הפגישה בחר רייס תשעה צילומים מאלבום הפושעים של המשטרה. את הצילום של סטבסקי תחב ביניהם. רייס הגיע לבית אמו של ארלוזורוב, שם המתינו לו סימה, האם ושתי אחיותיו של ארלוזורוב. רייס הציג לסימה את התמונות. סימה עיינה בהן, בזו אחר זו. כשהגיעה לתמונתו של סטבסקי התבוננה בה רגע ארוך, ואמרה כי הפנים בתמונה עשויות להיות פניו של המתנקש הגבוה, הניחה את התמונה על השולחן והמשיכה להתבונן ביתר התמונות. כשסיימה להתבונן ביתר התמונות אמרה כי אינה מזהה בהן עוד מישהו. עורכי דינו של סטבסקי יטענו לאחר מכן במשפטו כי תמונתו בלטה בין האחרות מאחר שסטבסקי צולם בה עם עניבה, שלא כמו המצולמים באלבום המשטרה שלא ענדו עניבות.
בהמשך נערכו, בזה אחר זה במשטרת יפו, שלושה מסדרי זיהוי בהם היה כבר זיהוי ודאי. בראשון הוכנסה סימה, כשהיא נתמכת בגופו של הקצין ארנסט סטפורד, למועדון של התחנה, לפניה ניצבה שורה של חמישה עשר גברים. בראותה אותם היא קרסה וסטפורד אחז לתמוך בה. בעוברה על פני סטבסקי הצביעה עליו וקראה: "זה האיש. אין הוא האיש שירה בבעלי; הוא האיש שהיה אתו". היא עברה שנית על פני השורה, מסופה לתחילתה וקראה שוב: "זה האיש שהיה עם האיש שירה בבעלי". המסדר השני נערך בחצר התחנה. סימה ישבה על כיסא ולפניה חלפה שורת הגברים, שפסעו על גבי מצע של חול ים, כדי לדמות את אופן הליכת המתנקשים בחוף, ושוב זיהתה סימה את סטבסקי ואמרה כי הליכתו דומה להליכת הברווז של המתנקש הגבוה. המסדר השלישי היה מסדר-קול. ארבעה גברים הוכנסו לחדר וכל אחד אמר לסימה "כמה השעה" וסימה הכירה את קולו של סטבסקי.
הזיהוי של רוזנבלט.
כשלושה שבועות לפני מעצרו של רוזנבלט השתתפה כבר סימה ארלוזורוב בשני מסדרי זיהוי, שנערכו בבית הסוהר המרכזי בירושלים ב-4 ביולי 1933. בראשון היססה מלזהות חשוד מסוים ולבסוף הצביעה על שלושה ממשתתפי הזיהוי ואמרה כי הם מזכירים לה את היורה, אבל איננה חושבת שמישהו מהם הוא הרוצח. ב-11 ביולי 1933 נערך מסדר הזיהוי השני. הוצגו בפניה שלושה עשר אנשים, שניים מתוכם נראו לה כדומים לרוצח אך אינם המתנקשים.
במסדר הזיהוי השלישי השתתף רוזנבלט, לאחר שנעצר. המסדר נערך ב-24 ביולי 1933. סימה לוותה על ידי קצין המשטרה ארנסט סטפורד. בפני סימה הוצגו ארבע קבוצות של אנשים. צבי רוזנבלט היה השלישי בקבוצה הראשונה. בקבוצה השנייה היה צבי שניידרמן, שעליו אמרה רבקה פייגין בעדותה במשטרה כי נמסר לה כי הוא או צבי רוזנבלט הוא אחד משני המתנקשים.
כשעמד מולה צבי רוזנבלט הגיבה כי אינו האיש. בסיימה לסקור את אנשי הקבוצה, ביקשה כי יראו לה שוב את השלישי, את רוזנבלט. היא סקרה אותו שוב ואמרה כי הוא דומה ליורה אבל אינה יכולה לומר כי היא מזהה אותו בוודאות ומבקשת לראותו בעוד כיומיים כשלא יהיה מגולח למשעי, אלא בעל זיפי שיער כפי שהיה היורה.
בהמשך הוצגו בפניה עוד שלוש קבוצות והיא לא זיהתה איש מאנשיהן. צבי שניידרמן היה בקבוצה השנייה, וכשעמד למולה, סימה ארלוזורוב הצביעה עליו. לאחר מכן ביקשה כי יתנו לשניידרמן להחזיק חפץ בידיו, משום שבליל הרצח שמה לב לידיו. שניידרמן הרים תיק ניירות שהיה מונח שם, פעם בימינו ופעם בשמאלו ואז הודיעה כי הוא אינו האיש.