Theo kế hoạch, đế quốc Mỹ cử một phái đoàn chính trị quân sự cao cấp sang Sài Gòn nghiên cứu về tình hình chiến trường miền nam. Với lòng căm thù giặc Mỹ xâm lược đang tàn sát đồng bào miền nam, Nguyễn Văn Trỗi xin Ban chỉ huy Biệt động Thành cho anh thực hiện nhiệm vụ táo bạo, tiêu diệt bằng được phái đoàn này. Do bị lộ, cho nên trước giờ xe của Bộ trưởng Quốc phòng Mắc Na-ma-ra chạy qua, anh bị bắt. Trận đánh này tuy không thành, nhưng là một đòn cảnh cáo đối với những hoạt động chuẩn bị leo thang chiến tranh của đế quốc Mỹ trong cuộc xâm lược gây nhiều nợ máu với nhân dân miền nam, trong đó có quê hương Quảng Nam của anh.
Tại nhà tù Chí Hòa - Sài Gòn, khi địch dùng đủ cực hình tra tấn dụ dỗ nhưng anh kiên quyết không khai bất cứ điều gì, mà chỉ trả lời câu duy nhất: "Tôi nói với mấy người, tôi làm việc phải, tôi giết bọn cướp nước thì dù nguy hiểm, thương tật hay hy sinh, tôi cũng vui lòng. Tôi không thể sống như bọn tay sai mong được an thân để làm hại đồng bào!".
Sau đó, chính quyền của Nguyễn Khánh đưa anh Trỗi ra tòa án quân sự đặc biệt Sài Gòn và kết án tử hình nhằm uy hiếp tinh thần chống đế quốc Mỹ, trong nhân dân ta lúc bấy giờ. Ðược tin này, phong trào cách mạng nhiều nước, trong đó thanh niên ở Vê-nê-xu-ê-la tuyên bố, nếu tử hình anh Nguyễn Văn Trỗi, họ sẽ trừng trị ngay tên trung tá Mỹ đang bị bắt giữ. Giới cầm quyền Mỹ buộc phải cam kết không tử hình Anh. Nhưng khi tên trung tá Mỹ vừa được thả ra thì chúng lại trở mặt, dùng bản án đê hèn để đưa anh Trỗi ra pháp trường.
Ngày 15-10-1964, bọn đao phủ Mỹ và ngụy Sài Gòn đã đưa anh Trỗi ra pháp trường tại bãi bắn sau nhà lao Chí Hòa. Trong những giây phút cuối cùng anh Trỗi đã giật phắt mảnh băng đen mà kẻ thù bịt mắt và dõng dạc hô to: "Không, phải để tôi nhìn mảnh đất này, mảnh đất thân yêu của tôi!". Và Anh hô to với mọi người chứng kiến: "Hãy nhớ lấy lời tôi! Ðả đảo đế quốc Mỹ!" "Hồ Chí Minh muôn năm!" "Việt Nam muôn năm!" và cho tới bây giờ, tiếng thét đó của Anh vẫn sáng người ánh Thép.
Sau khi hy sinh, anh Trỗi được Trung ương Cục và Chính phủ cách mạng Lâm thời Cộng hòa miền Nam Việt Nam truy tặng Ðảng viên ưu tú và truy tặng Huân chương Thành Ðồng hạng nhất. Sự hy sinh của anh Trỗi đã dấy lên một làn sóng căm thù đế quốc xâm lược, dấy lên những phong trào cùng đi chiến đấu vì miền nam ruột thịt.
Tuổi thanh xuân, Anh hùng liệt sĩ Nguyễn Văn Trỗi đã hy sinh tính mạng của mình để góp sức cùng dân tộc đánh đuổi đế quốc, giành lại hòa bình, no ấm cho đồng bào miền nam. Là người thanh niên, chiến sĩ Biệt động Thành gan dạ, đầy mưu trí trước kẻ thù, cũng vào những ngày này của mùa thu 47 năm trước, tiếng hô vang của anh Nguyễn Văn Trỗi là sự cảnh báo cho mưu đồ xâm lược của chủ nghĩa thực dân mới, mà ý chí của cả thế hệ trẻ Việt Nam không bao giờ lùi bước trước mọi hung ác, bạo tàn. Và những gì mà Anh đã sống, chiến đấu vì đồng bào miền nam, vì Tổ quốc với lời thề "Hãy nhớ lấy lời tôi!" đã khơi dậy sức sống cho tuổi trẻ từ trong dông bão sẵn sàng quên đi mạng sống của mình vì tự do, độc lập của đất nước, vì hạnh phúc của nhân dân.
