Ngày 2/5/1964, anh Trỗi nhận nhiệm vụ đặt mìn tại cầu Công Lý (nay là cầu Nguyễn Văn Trỗi) để ám sát phái đoàn quân sự chính trị cao cấp của Chính phủ Hoa Kỳ do Bộ trưởng Quốc phòng Robert McNamara dẫn đầu. Công việc bại lộ, anh bị địch bắt ngày 9/5/1964.
Kẻ thù dùng mọi cực hình tra tấn dã man, tàn bạo đối với anh hòng tìm ra manh mối cơ sở của ta nhưng đều bị thất bại. Sau bốn tháng giam giữ không lay chuyển được lòng trung kiên của anh, chính quyền ngụy Sài Gòn đã kết án tử hình anh. Anh Nguyễn Văn Trỗi bị xử bắn tại sân sau nhà lao Chí Hòa lúc 9 giờ 45 phút ngày 15/10/1964.
Tấm gương hy sinh lẫm liệt của anh đã đi vào lịch sử như một biểu tượng, một bản anh hùng ca bất diệt về khí phách hiên ngang của những thanh niên yêu nước thế kỷ 20 sẵn sàng xả thân cho phong trào đấu tranh giải phóng dân tộc và có tác động mạnh mẽ đến phong trào phản chiến của nhân dân yêu chuộng hòa bình trên toàn thế giới.