清宣統元年（公元1909年）考入河南陸軍國小校第五期。其間，同盟會在新蔡縣設秘密機關於劉芬佛私塾，山東人劉冠三因有排滿嫌疑，其所辦濟南山左公學、青島震旦公學遭到關閉，劉本人也被清政府通緝。劉冠三推著小車載著行李及書刊來到河南省新蔡縣進行革命活動。直隸人商震亦因在東三省運動革命戰爭失敗，均避難於此。朝鮮人金秉萬（字宜橋）亦聞風至。該縣劉芬佛、閻子固、劉純仁、任芝銘等會同劉冠三、商震、金秉萬 ，日相與籌商傳播革命思想之方法。此時，單懋統由於受到他們宣傳孫中山民主革命思想的影響，加入了同盟會。與單懋統一起參加同盟會的有秦鼎新（字協一，汝南縣人）、閻旭生（字耀初，革命黨人閻夢松的長子）和張軫（字翼三，羅山縣人）等人。單懋統在這個組織中為優秀者極為活躍，同志們稱他是“智、仁、勇三得郎”。
辛亥革命軍興，豫督寶芬深恐陸軍國小第四、第五兩期同學暴動，便勒令他們各回原籍。單懋統到新蔡時，閻夢松（字子固）與任之銘（字子勉）等人正在組織淮上軍。該軍先攻新蔡未克，後光復商城、固始。秦鼎新回汝南後，與本縣戴兆春（字歲初，清秀才）和韓丹書（字銘軒，師範畢業，當時任教員）聯絡地方武裝，共謀起事。戴兆春刻有“鄂督黎示”方印，凡願參加起義者均發給蓋有該印的字據。
單懋統和閻旭生等人及項城朱蘇亞、朱扶亞兄弟（二次革命烈士朱丹陛之子），負責掌握項城、新蔡兩縣地方武裝，與汝南聯繫，打算俟武漢的北伐軍或淮上軍一到，即一同起事回響。他們曾派韓丹書、單懋剛（字宣三，我的大伯）、陳伯英（新蔡人，劉積學的學生）諸同志馳赴淮上，與淮上軍司令張匯滔（字孟介）、副司令閻夢松接洽。韓丹書帶回了準備起事的指令。詎料淮上軍未到，清帝宣統退位，南北議和，軍事行動被迫停止。
1912年，單懋統去開封參加陸軍國小第五期的畢業典禮。領到畢業文憑後，因第一（清河）、第二（武昌）、第三（南京）、第四（山西姚村）四個陸軍預備學校的校舍均未騰出，校方令畢業同學各回原籍待命。
單懋統於當年秋季回到故鄉。他到家後，即向農民宣傳孫中山先生的三民主義，宣傳男子要剪辮子、婦女要放足、人人平等、男女平等、破除迷信、改廟辦學，還倡議集體辦漁業，植桑養蠶。在他的宣傳鼓動下，當時鄉里的革命空氣甚為濃厚。他在地方上進行了一段時間的破舊立新工作之後，又應新蔡縣當局的邀請，到縣城籌辦全縣第一所高等國小，並任該校教員。
1913年7月，單懋統和秦鼎新等一同升入南京第三陸軍預備學校。途經武漢時，得知江蘇獨立和黃興在南京通電討袁的訊息。經老同盟會員夏述唐（河南息縣人）介紹，黃興派路孝忱把單，秦等編入討袁軍教導營（駐南京陸軍第三預備學校）。二次革命失敗後，全體同學被通緝。
1914年春，單懋統返回家鄉，繼續從事革新工作和教育活動。當時，袁世凱在河南的爪牙張鎮芳、袁乃寬、袁步黃等秉承其主子的旨意，大肆搜捕、殺害革命黨人，妄圖肅清革命勢力。袁步黃等曾兩次率反動軍隊到單懋統家搜捕，皆因單懋統事前得到訊息，全家老少逃往他鄉，才末遭毒手。後來，他與張軫等人一同去山西、陝西，繼續從事反袁活動。
1916年袁世凱死後，陝西督軍陳樹藩欲留單懋統和張軫等在陝軍任職，被他們謝絕。不久，單懋統和秦鼎新、閻旭生、張軫等陸軍國小第四、第五兩期同學齊集開封。大家推選單懋統和秦鼎新為代表，赴京交涉要求恢復升學資格事宜。他們在京曾拜訪過國會眾議院山東議員劉冠三先生（因單懋統和單懋綱、單懋修都是革命黨人，劉在清末推土車漫遊各省宣傳革命時曾經到過單懋統家）。這時，夏述唐到京。他向陸軍訓練總監張紹曾面陳單、秦等同學到南京升學和參加二次革命的經過，提出：現已恢復共和，理應恢復同學們的升學資格。張表示同意。
1917年6月，單懋統和秦鼎新、閻旭生、張軫等奉召參加升入清河陸軍第一預備學校的考試。尚未發榜，就發生了張勛復辟事件。張勛被趕走後，陸軍部卻玩弄手法，說“民二失學學生少，不敷清河預備學校招收名額”，企圖招收一批跟陸軍部有關係的文中學畢業生，以擠掉一些參加二次革命的陸軍國小畢業生。按照慣例，陸軍國小畢業生升入陸軍預備學校無須經過考試。陸軍部這樣做顯然是故意刁難。
當時赴京參戰討伐張勛軍隊中，擔任晉軍第一混成旅旅長的老同盟會員商震，向單懋統等人透露了這個情況。他們聞訊後便採取對策，以文中學畢業生的名義另報一個名字參加第二次考試。單懋統報自己入陸軍國小之前上文中學時用的名字單懋統，秦鼎新報其一個同族人的名字秦世軒，張軫報其侄兒的名字張日煌。由於商震和閻旭生之父閻夢松是同盟會的老同志，商曾到過閻家，所以新報的名字就由閻旭生交給商震，請商向陸軍部代報。
不久，兩次考試同時發榜。結果，第一次報的單昌、秦鼎新兩個名字都落榜了（因為他們二人是陸小學生代表，名字常在報上出現，故受到當局的排斥），而後報的單懋統、秦世軒兩個名字都被錄取了；張軫不是代表，不被當局注意，他報的兩個名字（張軫、張日煌）均被錄取。張日煌這個名字，後來由被排斥的同學郝漪（字滋生）頂替了。
1919年7月，單懋統從清河陸軍預備學校第四期畢業，與秦鼎新、閻旭生一起被分發到河南第一混成旅當軍官候補生。1921年10月，他們又一同升入保定軍校第九期步科，於1923年4月畢業。
1925年，經劉積學、李敬齋推薦，中國國民黨陸軍軍官學校（1926年1月改為中央軍事政治學校）派赴開封的招生委員會牛棠、周競，寫信介紹單懋統和秦鼎新到該校工作。同年12月，他們到達廣州。據秦鼎新回憶：他本人任“一團三營九連教練官”，單懋統任第四期政治大隊隊附兼教官。
當時，軍校內以共產黨員、社會主義青年團員為核心的青年軍人聯合會與國民黨右派組織孫文主義學會之間的鬥爭十分激烈。先父作為國民黨左派的一員，衷心擁護孫中山先生制定的聯俄、聯共、扶助工農三大政策，經常與校內共產黨員接觸，因而不斷遭到國民黨右派的壓制和打擊。
1926年3月20日，蔣介石一手策劃了中山艦事件。此後，已暴露身份的共產黨員撤出軍校，國民黨右派的氣焰更加囂張。1926年6月廣東國民政府發出北伐動員令後，單懋統多次請求參加北伐，但未獲批准。隨著戰局的發展，單懋統既為北伐戰爭的節節勝利而歡欣鼓舞，又為自己未能親臨前線而深感遺憾，同年10月22日，他在寫給赴法國留學侄兒單粹民的信中說：“國內北方軍閥漸次崩潰，革命軍已占有武勝關，東南浙江夏超亦宣布獨立，吳、孫兩賊於最短期間必可打倒。余與協一（即秦鼎新——編者）因上峰不準離校，故未隨同北伐。”
1926年11月，蔣介石向國民黨中央黨部政治會議建議，將中央陸軍軍官學校政治科移至武昌。12月上旬，蔣介石先後命令軍校第五期政治科大隊和炮兵工兵科遷移至武昌；同時又招收第六期1200多名學生，在武昌設政治演講班，聘周恩來、郭沫若、蔡暢等人為政治教官，惲代英為政治主任教官。
遷移過程中，單懋統任副總隊長，總隊長沈鑄東（沈到武昌後因外出吃飯，有妓女陪灑，有失革命軍人尊嚴被撤職。）系國民黨右派。他們接到遷移命令後，很快就出發了。由廣州坐火車到韶關，然後步行翻越騎田嶺，經石峰﹑良田，到達郴州。後改乘小木船順耒水而入湘江北上，每船坐一班人。幾百隻船，放舟中流，蔽江而下，經耒陽﹑衡陽﹑湘潭﹑直抵長沙。從長沙到武昌又改乘火車。在長途行軍中，從整隊到後勤，完全由單懋統負責，而糧餉的發放和運輸工具的調配等實權則操縱在總隊長手中。此人對單懋統的工作百般刁難；有時不發餉，令單懋統自行籌備；有時該宿營卻不讓宿營，使大隊人馬得不到應有的休息。在連續數日的長途跋涉中，單懋統艱苦備嘗，積勞成疾。他到武昌下車後，已是筋疲力盡，咯血不止，經搶救後始得脫險。
1927年4月12日蔣介石發動反革命政變，瘋狂屠殺共產黨員和工農民眾。單懋統聞之憤慨地說：“蔣介石盡說假話，背叛三民主義，不得人心！”他雖在病中，仍向共產黨組織和國民黨左派領導人建議，要對革命幹部和革命青年進行軍事訓練，準備與蔣介石鬥爭，並承擔訓練總責。上述情況在當時武漢出版的報刊上曾有報導。
同年4月19日，共產黨員國民革命軍總政治部後方留守處兼中央軍事政治學校政治部主任教官孫炳文在上海被國民黨反動派殺害。他的夫人共產黨員任銳（任芝銘的二女兒）來到武漢，住在單懋統家中，撰寫文章揭露蔣介石的反革命罪行。單懋統對任銳的不幸遭遇深表同情，對蔣介石的倒行逆施義憤填膺。
同年6月，汪精衛的反革命嘴臉已暴露無遺，著名國民黨左派人士武漢國民政府軍事委員會政治主任鄧演達化裝後離開武漢。單懋統目睹形勢日益惡化，心情萬分沉重，夜不能寐，加之生活困窘，缺醫少藥，不幸於7月與世長辭。由於他平日與軍校內的共產黨員十分接近，所以病重期間前來探視和照顧的人多為共產黨員。
單懋統的靈柩用火車從武昌運到駐馬店後，又用馬車運回家鄉新蔡縣東單莊安葬。
單懋統從清朝末年加入同盟會，到參加第一次國內革命戰爭，獻身民主革命鬥爭近二十年。他是孫中山的忠實信徒，對孫中山的革命精神極為崇敬，尤其對孫中山的三民主義和三大政策深信不疑。1916年，他在開封《嵩岳日報》上發表的為鍾警亞烈士寫的傳略中，闡明了自己的觀點。此後他受到新文化運動的影響，又接觸了馬克思主義著作，思想認識得到進一步提高。1926年10月22日，他在寫給侄兒單粹民的信中說：“個人能力就是立身的根本。汝注意於此，是我所最盼望者。但仍望汝思想方面常要隨同潮流進步，否則雖自先進國得來者，亦陳腐也。”
單懋統雖然英年早逝，但他的友人和家鄉父老並沒有忘記他。
1928年8月，在國民黨第十八師任秘書的任芝銘因反對“圍剿”紅軍而憤然辭職，返回新蔡。他在縣城創辦了“今是中學”，同時又在東單莊創辦了“錫嘏學校”以示對單懋統紀念。
1939年，單懋統之子單培新繼承父親遺志，考入中央陸軍軍官學校第七分校第十六期，畢業後參加了豫南、中原、豫西等抗日會戰為國為民作出傑出貢獻，抗戰後單培新入中央訓練團受訓復員轉警，併入中央警官學校甲級班學習後，在北平任北平警察局保警總隊少校中隊長。1949年單培新隨傅作義參加北平和平起義。1990年1月單培新病逝於北京。
單懋統之孫單補生先生受祖輩革命影響，自二十世紀八十年代便開始對黃埔軍校及民國軍事歷史進行廣泛研究，並耗用自己畢生積蓄在民間收集黃埔軍校文物。單補生現為中國黃埔軍校網特約文史顧問。
