到了八月初五这天，光绪帝再次召见了袁世凯，据传言这次袁世凯从皇帝那里领取了一道密诏。可是，怎么也令维新派的志士们想不到的是，这老奸巨猾的袁世凯一个釜底抽薪，就用严酷的现实将他们的美梦给击得粉碎——袁世凯卖主求荣，他在一方面用欺骗的手段稳住维新派人士和光绪帝的同时，另一方面却向正虎视眈眈的慈禧太后告了密。八月初六这一天，风云突变……
当时，谭嗣同得到不幸消息的时候，正在自己的寓所中和来访的梁启超对坐榻上共商维新大计。他们最先得到的消息是有官兵正在康有为的寓所（南海馆）进行抄捕，幸好当时康有为先生不在寓所；接着，又传来消息说慈禧太后又重新出来（垂帘）主政了，这时候谭嗣同一点都没有显示出慌张的神色，他从容地对在旁的梁启超说道：“我过去试图想援救皇上而未能如愿，今天想要援救康有为先生也已经力不从心，我已经无事可做，只有盼着一死了。即使这样，一个人做事还是应该明白知其不可为而为之的道理，就麻烦足下你到日本使馆去拜见伊藤先生，请求他给日本驻上海领事去封电报搭救一下康先生吧。”
这一天晚上，梁启超躲避到了日本使馆，而谭嗣同则“竟日不出门，以待捕者”，显然，他已经抱定了为变法而死的决心。到这一刻，谭嗣同已经全然清醒过来了，只手无论如何是难以拄天的。而负责来逮捕的人却迟迟不到谭所。第二天，谭嗣同去日本使馆与梁启超相见，他劝说梁东渡日本避难，还把自己所著书及诗文家书整理到一个箱子里都带了来交托给梁启超保管。他对于梁的临别赠言是：梁启超像“不有行者，无以图将来；不有死者，无以酬圣主。今南海（指康有为）之生死未可卜，程婴杵臼，月照西乡（指两位日本志士），吾与足下分任之。”意思是说梁启超逃难日本是理所应当的，而自己为变法死难也是理所应当的。最后，他们二人“相与一抱而别”，此一别竟成永诀。
初七八九三日，谭嗣同联络了一些他平日里结交的江湖侠士们试图闯入禁宫去搭救皇上（其中最著名的就是一位名号为“大刀王五”的义士），然而最终失败了。初十这一天，谭嗣同终于不幸被捕了。就在他被捕的前一天，几位日本志士苦苦劝告他东渡日本避祸，然而无奈他已经坚定了必死的决心；日本志士“再四强之”，谭嗣同便毅然决然地说道：“各国变法，无不从流血而成。今中国未闻有因变法而流血者，此国之所以不昌也。有之，请自嗣同始！”他想要用自己的鲜血来唤醒沉睡的民众，并寄希望于来者，也即如后来毛泽东道出的这样一条真谛：“为有牺牲多壮志，敢叫日月换新天”。
当谭嗣同被羁押在牢狱之中时，他题写了一首绝命诗于狱壁之上，曰：
望门投宿思张俭，
忍死须臾待杜根。
我自横刀向天笑，
去留肝胆两昆仑。
张俭与杜根都是东汉时期的名士，这里谭嗣同所诗的第一句的意思是他不想像张俭那样连累众人受难，第二句是他希望像杜根那样能得到最后的胜利。“我自横刀向天笑”，表明自己的一身傲骨，及视死如归的胆魄，而至于末句中“两昆仑”的理解，梁启超认为它们分别指代谭嗣同自己和康有为（而其他人却有不同看法）。
仅仅在谭嗣同被拘押了三天之后的八月十三日，连同其他五位维新志士包括康有为的胞弟康广仁（有人认为他只是替罪羊）、林旭、杨深秀、杨锐、刘光第等被一同押赴刑场就刑。“就义之日，观者万人，君慷慨神气不少变”，谭嗣同泰然自若，据说他还曾当众疾呼道：“有心杀贼，无力回天。死得其所，快哉快哉！”他还想对监刑的军机大臣刚毅说上一句话，可是这色厉胆薄的刚毅不买账，于是谭嗣同等六位维新志士便一同在顽固派举起的罪恶的屠刀下英勇就义——而他自始至终显露出来的都是从容之态，让围观者无不唏嘘黯然，“呜呼烈矣”。
时年，谭嗣同年仅33岁。