«فاطمی بعد از کودتای ۲۸ مرداد مخفی شد. چندباری خانه عوض کرد. مخفیبودن او نزدیک هفتماهی به درازا کشید تا این که صبح روز ۲۲ اسفند باز هم شایعه دستگیری او دهانبهدهان چرخید. همه در کنجکاوی درستی و نادرستی خبر بودند که فرمانداری نظامی اطلاعیهای منتشر کرد که حکایت از تأیید دستگیری داشت: «بدینوسیله به اطلاع عموم میرسد که دکترحسین فاطمی ساعت ۹ صبح امروز بهوسیله سرکار سروان حبیبالله جلیلوند، افسر اداره انتظامی شهربانی و مأمورین فرمانداری نظامی پس از تجسسات طولانی در یکی از کوچهباغهای تجریش دستگیر و تحویل فرماندار نظامی گردید.»
«تیمور بختیار»، فرماندار نظامی و رئیس شهربانی سپهبد «علی مقدم» با یک توافق، نقشه ازبینبردن او را به دست اوباش کشیدند، «شعبان جعفری» و عدهای از اوباش حرفهای به جلوی شهربانی فراخوانده میشوند. خواهرش، «سلطنت فاطمی»، خود را جلوی شهربانی میرساند، برادرش را دستبندزده جلوی پلکان شهربانی، ایستاده میبیند که شعبان جعفری به نوچههایش میگوید: «بکشیدش! بکشیدش!» به ضرب چاقو و چماق او را مضروب میکنند که جان سالم به در نبرد. خواهرش هم خود را روی برادرش میاندازد و ۱۰ ضربه به خواهر و شش ضربه به دکتر فاطمی وارد میشود.
خود شعبان سالها بعد در جواب سؤالی که از او درباره آن ماجرا شد، ضربوشتم فاطمی را تأیید اما چاقوزدن را انکار کرد: «دم شهربانی زدمش، چاقو نزدم. بیخود میگن چاقو زده... .» حال سیدحسین فاطمی در اثر آن حمله وخیم شد و کارش به بیمارستان کشید. روزنامههای وقت تا چند روز از حال و روز نزار او خبرهای متعددی منتشر کردند.
سرانجام دکتر فاطمی تحت بازجوییهای پیدرپی قرار میگیرد؛ به طوری که او را برای دادگاه هم با برانکارد، داخل سالن میآورند. دکتر فاطمی در زندان در دستنوشتهای روی پاکت سیگار به آیتالله «سیدرضا زنجانی» که او هم در زندان بود، نوشت: «... آرزو دارم که نفسهای آخر زندگیام نیز در راه نهضت و سعادت هموطنانم صرف شود. به هر حال داغ باطله بر کنسرسیوم و حامیان او بزنیم، بر فرض که نگذارند به اطلاع هممیهنان برسد و صدای ما را خفه کنند، در تاریخ و در پروندهها باقی خواهد ماند تا نسل آینده برای زیستی شرافتمندانه و نیل به آزادی، ادامهدهنده این راه باشند.»
سرانجام بامداد چهارشنبه نوزدهم آبان ۱۳۳۳ در ساعت چهار و هفت دقیقه، تیمور بختیار و «آزموده» دادستان ارتش، حکم اعدام دکتر فاطمی را به او ابلاغ کردند. آزموده که لقب «آیشمن» گرفته بود، گفت: «اگر وصیتی دارید بفرمایید...» فاطمی سخنان او را قطع کرد و گفت: «آری آقای آزموده، مرگ حق است و من از مرگ ابایی ندارم، آن هم چنین مرگ پرافتخاری و من میمیرم که نسل جوانان ایران از مرگ من عبرتی گرفته و با خون از وطنشان دفاع کرده و نگذارند جاسوسان بیگانه بر این کشور حکومت نمایند، من درهای سفارت انگلستان را بستم، غافل از این که تا عوامل بیگانه حکومت میکنند، انگلستان سفارت لازم ندارد.»
آزموده باز تکرار میکند که اگر خواستهای دارید، بگویید. فاطمی میگوید: خواستههای من، دیدن خانواده، ملاقات با دکتر مصدق و صحبتی با افسران است. آزموده هم میگوید: هنوز هم دست از این مرد (مصدق) برنمیداری؟ و سرانجام فاطمی در برابر جوخه اعدام گفت: آقای آزموده، مرگ بر دو قسم است، مرگ در رختخواب ناز و مرگ در راه شرف و افتخار، خدای را شکر که در راه مبارزه با فساد، شهید میشوم... امیدوارم سربازان نهضت، همچنان مبارزه را ادامه دهند.»
هشت گلوله از اسلحه چهار مأمور شلیک شد. «زندهباد مصدق» آخرین کلامش شد و جان باخت. میگویند وقتی میخواستند او را برای اجرای حکم ببرند، تقاضای سیگاری کرد و به قول خبرنگاران، آن را با حالت خاصی گوشه لبش گذاشت تا روحیه و قوت قلبش را نشان دهد. خبرنگار روزنامه کیهان در گزارش خود از چند و چون اعدام، به پیغامی اشاره کرده که دادستان ارتش روز پیش از اعدام برای خانواده فاطمی میفرستد تا اگر مایل بودند ملاقاتی با او داشته باشند؛ ملاقاتی که بر اساس اطلاعات این خبرنگار هرگز عملی نشد. دکتر فاطمی پیش از مرگش دکترمحمد مصدق را وصی و قیم فرزندش کرد و پس از او نیز مسئولیتها را به یکی از برادرانش سپرد. نصرالله سیفپور فاطمی، یکی از برادرانش که در آمریکا بود، بعد از شنیدن خبر اعدام دچار سکته شد؛ بهویژه که او برای جلوگیری از اعدام، به این در و آن در زده و نتیجهای به دست نیاورده بود. حتی به نوشته کیهان در جریان همان تلاشها تلگرافی هم به محمدرضاشاه زده بود تا برای لغو حکم اعدام از نفوذش بهره ببرد! البته دیگر نزدیکان فاطمی نیز فعالیتهای شدیدی برای جلوگیری از اعدام او داشتند که البته هیچکدام ثمری بهدنبال نداشت و حکومت عزمی جزم برای اعدام او داشت. مزارش در «ابن بابویه» تهران قرار دارد و بر سنگش این شعر نوشته شده است:
بر سر تربت ما چون گذری همت خواه
که زیارتگه رندان جهان خواهد بود.»