Vào tháng 12 năm 1949, trong một chuyến công tác tại Đất Đỏ, cô đã bị quân Pháp bắt được.[4] Một số tài liệu khác ghi cô bị bắt vào tháng 2 năm 1950, sau khi cô và đồng đội dùng lựu đạn tập kích giết chết Cả Suốt và Cả Đay, là hương chức người Việt cộng tác đắc lực với quân Pháp, ở ngay phiên chợ Tết Canh Dần tại chợ Đất Đỏ.[2][3][6]

Sau khi bị bắt, cô lần lượt bị đưa đi thẩm vấn và giam giữ tại các nhà tù Đất Đỏ, khám đường Bà Rịa và khám Chí Hòa. Tháng 4 năm 1950,[3] tòa án binh của quân đội Pháp đã đưa cô ra xét xử với tội danh làm chết một sĩ quan Pháp và 23 người Việt cộng tác với Pháp.[cần dẫn nguồn]

Vào thời điểm xử án, cô chưa tròn 18 tuổi, vì vậy các luật sư bảo vệ cô căn cứ vào điểm này để tranh biện nhằm đưa cô thoát khỏi án tử hình. Mặc dù vậy, tòa án binh Pháp vẫn tuyên án tử hình cô.[6] Bản án này đã gây chấn động dư luận, gây ra sự phản đối mạnh mẽ cả tại Việt Nam và ngay tại nước Pháp.[cần dẫn nguồn] Chính vì vậy, chính quyền quân sự Pháp không thể công khai thi hành bản án. Cô tiếp tục bị giam cầm tại khám Chí Hòa cho đến tận giữa tháng 1 năm 1952 thì bị chính quyền quân sự Pháp chuyển ra Côn Đảo để bí mật thi hành án tử hình khi cô đã đủ 18 tuổi.

Rạng sáng ngày 23 tháng 1 năm 1952, lúc khoảng 5 giờ, cô bị đưa đến văn phòng giám thị trưởng đặt trước sân Banh I để làm lễ rửa tội. Đến 7 giờ sáng, cô bị đưa đến sân Banh III phụ và bị xử bắn tại đây. Thi hài của cô được đưa ra Hàng Dương và được chôn tại huyệt đào sẵn. Trong "Sổ giám sát tử vong 1947–1954" còn lưu tại Côn Đảo, có dòng chữ ghi bằng tiếng Pháp: "Le 23 Janvier 1952: 195 G.267 Võ Thị Sáu dite CAM mort 23/1/1952 7h P.Condor Par balles..." (Tù nhân số G 267 Võ Thị Sáu bị xử bắn vào ngày 23/1/1952).