Anh Trỗi và những khẩu hiệu anh hô vang trước khi bị xử bắn

Sau khi bị bắt vụ đặt mìn tại cầu Công Lý, anh Trỗi quyết không khai đồng đội và nhận hết trách nhiệm về mình.

Chính quyền Nguyễn Khánh đã rất muốn đẩy nhanh việc tử hình Nguyễn Văn Trỗi vào cuối tháng 8 năm 1964. Tuy nhiên, việc này phải tạm ngưng lại vì sau ngày 25 tháng 8 năm 1964, các phong trào biểu tình chống Nguyễn Khánh diễn ra khiến tình hình chính trị bất ổn, các cuộc binh biến diễn ra liên tiếp.[24] Tài liệu biên bản Hội đồng ân xá ngày 17 tháng 6 năm 1964 cho biết Hội đồng ân xá nhóm họp tại phòng Bộ Tư pháp, số 47 đại lộ Thống Nhất, Sài Gòn vào chiều ngày 17 tháng 6 để xét các đề nghị ân xá và bày tỏ ý kiến về các khoản ân giảm cho phạm nhân được hưởng. Trong phiên họp này, Hội đồng ân xá xem xét hồ sơ xin ân xá của 4 tội nhân, trong đó có Nguyễn Văn Trỗi. Tài liệu này cũng ghi rằng: "Nguyễn Văn Trỗi sinh năm 1940, quê xã Thanh Quýt, quận Điện Bàn, Quảng Nam, là thợ điện, con của Nguyễn Văn Hòa và Nguyễn Thị Tuất, có vợ, không có tiền án".[24]

“

Tòa đã tuyên xử: Nguyễn Văn Trỗi tử hình và tịch thu toàn bộ tài sản về tội phản nghịch, toan phá hủy và toan mưu sát... Sau khi xem xét, Hội đồng ân xá đề nghị bác đơn xin ân xá của Nguyễn Văn Trỗi, vì việc bảo vệ an ninh cho chánh khách các quốc gia bạn của Việt Nam Cộng hòa cần được thực hiện một cách hữu hiệu bằng cách thực hành bản án tử hình tên Việt Cộng này.

”

— Văn phòng Thủ tướng Việt Nam Cộng hòa[26]

Sau đó, chính quyền Nguyễn Khánh dự định xử bắn Nguyễn Văn Trỗi vào ngày 7 tháng 10 năm 1964. Biết tin này, nhóm "Biệt đội du kích quân" chống chế độ thân Mỹ tại Venezuela đã đề nghị trao đổi con tin là sĩ quan Mỹ Michael Smolen bị họ bắt cóc ở Caracas. Vì có kẻ mật báo với cảnh sát về họ, những người bắt cóc buộc phải thả Smolen trước khi họ có được thỏa thuận nào. Nguyễn Văn Trỗi sau đó bị đưa đi xử bắn tại sân sau nhà lao Khám Chí Hòa lúc 9 giờ 45 phút ngày 15 tháng 10 năm 1964,[3] trước sự chứng kiến của nhiều phóng viên nước ngoài.[27][28]

Trước khi bị xử tử, Nguyễn Văn Trỗi đã hô lớn: "Hãy nhớ lấy lời của tôi! Đả đảo đế quốc Mỹ! Đả đảo Nguyễn Khánh! Hồ Chí Minh muôn năm! Việt Nam muôn năm!".[29] Tờ báo Miami News (Hoa Kỳ) ngày 15 tháng 10 năm 1964 đã có bài tường thuật vụ xử bắn:[29]

“

...Người điệp viên Việt Cộng 24 tuổi đã hô to những khẩu hiệu "Hồ Chí Minh Việt Nam muôn năm!", "Mỹ - Ngụy hãy cút khỏi Việt Nam". Trỗi bị giải ra pháp trường nơi có 12 tay súng của Cảnh sát Quốc gia Việt Nam Cộng hòa và Quân lực Việt Nam Cộng hòa chờ sẵn. Sau khi liên tục hô vang những lời đả kích đế quốc Mỹ, đả kích chính quyền tay sai (tức Việt Nam Cộng hòa) và Nguyễn Khánh, người thanh niên hô lớn lời chào vĩnh biệt dành cho Hồ Chí Minh, Chủ tịch nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa. Trỗi đã từ chối bịt mắt trước khi bị bắn, tuy nhiên đến phút chót, đội thi hành án quyết định bịt mắt anh lại...

”

An táng

Sau khi bị xử bắn, thi hài Nguyễn Văn Trỗi được chôn cất tại nghĩa trang Văn Giáp tại Giồng Ông Tố (nay thuộc phường Bình Trưng, Thành phố Hồ Chí Minh). Ngày 15 tháng 4 năm 2018, phần mộ Nguyễn Văn Trỗi được chuyển từ nghĩa trang Văn Giáp về Nghĩa trang liệt sĩ Thành phố Hồ Chí Minh theo nguyện vọng của gia đình ông.[30][31]