فاطمی روز دستگیری و حین جابه‌جایی به زندان، مورد تهاجم سازمان‌یافته اوباش دولتی قرار گرفت و به شدت زخمی شد. او پس  از ۹ ماه زندانسرانجام سحرگاه روز چهارشنبه ۱۹آبان ۱۳۳۳ اعدام شد. دکتر فاطمی در وصیت‌نامه‌اش نوشته بود: «من می‌میرم که نسل جوان ایران از مرگ من درس عبرتی گرفته و با خون خود از وطنش دفاع کرده و نگذارد جاسوسان اجنبی بر این کشور حکومت کنند.» او را بنا به وصیتش در مزار شهیدان ۳۰ تیر۱۳۳۱ در ابن بابویه به خاک سپردند.