Le 18 février 1943, après avoir lancé avec son frère Hans des tracts dans la cour intérieure de l'université de Munich, elle est repérée par le concierge de l'université, Jakob Schmid. Ils sont remis au rectorat où, après plusieurs heures d'interrogatoire par l'inspecteur Robert Mohr, le doyen et le président de l'université, ils sont remis à la Gestapo. Conduite devant le « Volksgerichtshof » (« Tribunal du peuple »), elle est condamnée à mort après un procès mené en trois heures seulement. C'est Roland Freisler lui-même, le chef du Tribunal du peuple, venu spécialement de Berlin, qui annonce la sentence pour faits de « haute trahison, propagande subversive, complicité avec l'ennemi et démoralisation des forces militaires ». Elle est décapitée le jour même le 22 février 1943 à Munich à la prison de Stadelheim par le bourreau Johann Reichhart, et cela malgré la législation allemande qui imposait un délai de 99 jours avant l'exécution d'un condamné. Selon le témoignage des gardiens de la prison, elle fait preuve de beaucoup de courage lors de son exécution.
Elle est ensuite enterrée dans le cimetière proche de la forêt de Perlach, aux côtés de son frère Hans et de Christoph Probst, exécutés le même jour.