بعد از کودتای ۲۸ مرداد و سقوط دولت ملی دکتر مصدق، دکتر فاطمی به ناچار مخفی شد. زندگی مخفیانه او نزدیک به هفت ماه طول کشید تا اینکه در ششم اسفند همان سال دستگیر شد. او سرانجام پس از محاکمه غیرعلنی در دادگاه نظامی به دلیل اقدام برای برکناری شاه و اقدام علیه سلطنت در سحرگاه ۱۹ آبان ۱۳۳۳ اعدام شد. پیکر او در قبرستان ابن بابویه شهر ری در جوار کشته شدگان قیام ۳۰ تیر به خاک سپرده شد. دکتر مصدق پس از مرگ فاطمی او را شهید راه وطن نامید و ملی شدن صنعت نفت را پیشنهاد و دستاورد او دانست.
به گزارش تاریخ ایرانی، پریوش سطوتی، همسر دکتر فاطمی در دوران ریاست جمهوری محمود احمدی نژاد در سفری جنجالی به ایران، دفترچۀ خاطرات دکتر فاطمی در زندان را به رییس جمهوری ایران هدیه کرد. او که زندگی کوتاهی با دکتر فاطمی داشت در گفتگویی با اشاره به رابطه صمیمانه دکتر فاطمی و دکتر مصدق اظهار داشت: “دکتر فاطمی نهایت احترام و علاقه را به دکتر مصدق داشت و دکتر مصدق نیز اینگونه بود. حتی در روزهای آخر زندگی‌اش در زندان وقتی به او گفته بودند که دوست دارد چه کسی را ملاقات کند، گفته بود دوست دارم همسرم و دکتر مصدق را ببینم که تیمور بختیار اجازه چنین امری را نداده بود.”
سطوتی در بخش دیگری از گفتگوی خود با اشاره به روزی که دکتر فاطمی را اعدام کردند، گفت: “آن روز همه داغدار بودند، دانشجویان، محصلین، همه ناراحت و عزادار بودند. در آن موقع جنازه دکتر فاطمی را نیز به ما نمی‌دادند و خواهر ایشان سلطنت خانم با زحمت زیاد توانست جنازه را بگیرد و با تاکسی جنازه ایشان را آوردند. خواهر ایشان بیش از هر کس دیگری برای دکتر فداکاری کردند.”
