روز شنبه ششم اسفند 1332 سرگرد مولوی با جیپ فرماندار نظامی دکتر فاطمی رادستگیر نمود. مولوی دکتر فاطمی را بدون فوت وقت با همان لباس خانه با کفش سرپائیسوار جیپ کرده پس از وارد کردن ضربه‌ای با اسلحه بر سر او وی را با خود می‌برد و دراداره شهربانی زندانی می‌گرداند ولی قبل از زندانی شدن وزیر خارجه ایران، عده ای ازاوباش به تحریک مقامات امنیتی درمدخل شهربانی اسیر مریض را مورد ضرب و شتم قرارمی‌دهد که اگر هر آینه خواهر دکتر فاطمی به آنجا نرسیده بود و خود را بر روی برادرنمی‌افکند احتمال داشت در همانجا به وسیله ایادی کثیف حکومت به شهادت برسد. دکترفاطمی را سپس از شهربانی به زندان لشکر زرهی می‌برند و در آنجا زندانی می‌کنند. فاطمی مدت دو ماه در وضع ناراحت کننده‌ای در حالی که خون استفراغ می‌کرد و بارها تاکام مرگ پیش رفته بود بسر می‌برد. دادگاه عادی شماره یک دادرسی ارتش پس از ده جلسه رسیدگی و استماع مدافعات دکتر فاطمی و وکلای مدافع در ساعت سه و چهل و پنج دقیقه بعد از ظهر روز یکشنبه هجدهم مهرماه ختم دادرسی را اعلام و دادگاه برای صدور رأی وارد شور شد. دادگاه پس از بررسی مدافعات متهمین و وکلای مدافع سرانجام ماده استنادی ارتش را علیه متهم مورد تأیید قرار داد و با اتفاق آراء، حسین فاطمی را به اعدام محکوم نمود.
ساعت چهار و هفت دقیقه بامداد روز چهارشنبه نوزدهم آبانماه 1333،تیمور بختیار فرماندار نظامی و سر تیپ آزموده دادستان ارتش به زندان رفتند و حکم اعدام دکتر حسین فاطمی در لشکر 2 زرهی به وی ابلاغ گردید. آزموده گفت اگر وصیتی دارید بفرمایید، شما مکرر می گفتید «من از مرگ ابایی ندارم و مرگ حق است» دکترفاطمی نگذاشت حرفش تمام شود و پاسخ داد: «آری. آقای آزموده، مرگ حق است و من از مرگ ابایی ندارم آن هم چنین مرگ پر افتخاری، من می‌میرم که نسل جوان ایران از مرگ من عبرتی گرفته و با خون خود از وطنش دفاع کرده و نگذارد جاسوسان اجنبی بر این کشورحکومت نماید، من درهای سفارت انگلیس را بستم غافل از این که تا دربار هست انگلستان سفارت لازم ندارد» هنگامی که او را برای اعدام می‌بردند آزموده از وی خواست اگرخواسته دارد بگوید. گفت: خواسته‌های من، دیدن خانواده، ملاقات دکتر مصدق و صحبتی باافسران می‌باشد . آزموده می گوید، هنوز هم دست از این مرد بر نمی‌داری؟ دکتر فاطمی قبل از اجرای حکم به آزموده می‌گوید: « آقای آزموده، مرگ بر دو قسم است، مرگی درراه شرف و افتخار و من خدای را شکر می‌کنم که در راه مبارزه با فساد شهید می‌شوم،خدای را شکر می‌کنم که با شهادتم در این راه دین خود را به ملت ستمدیده و استعمارزده ایران اداء کرده‌ام و امیدوارم سربازان مجاهد، نهضت همچنان مبارزه را ادامهدهند.» دکتر فاطمی در آن موقع روحیه‌اش بقدری قوی بود که اگر کسی وارد اتاق می‌شد واز جریان اوضاع اطلاع نداشت هرگز باور نمی‌کرد، این شخص کسی است که چند دقیقه دیگرباید تبر باران شود و وصیت نامه اش را هم نوشته است. هنگام اجرای حکم در حالی که هوابشدت سرد بود روی همان پیراهنی که بر تن داشت یک پیژامه و کفش سرپایی آماده ایستاد... «... هشت گلوله تیر از دهانه لوله تفنگ‌های چهار مأمور مرگ شلیک شد. دوتیر روی قلب، همان قلبی که بخاطر وطن می‌طپید. و شش تیر دیگر به سینه ...» و به این طریق دکتر فاطمی، آن مرد مبارز راستین و سیاستمدار و روزنامه نگار شجاع مردانه به شهادت رسید و دفتر زندگی پرتلاطمش بسته شد.
