Buổi sáng ngày 4 tháng 8 năm 1944, Cảnh sát Đức (Grüne Polizei) ập vào nơi trú ẩn của gia đình Frank do một người chỉ điểm cho đến nay vẫn chưa biết danh tính. Chỉ biết đó là một công nhân trong nhà máy của ông Otto Frank; mỗi người Do Thái bị bắt trong căn nhà thì ông ta được nhận tiền tương đương 1,5 đô la Mỹ thời bấy giờ.[34] Những người ẩn trốn bị ném vào xe tải để đem đi thẩm vấn. Victor Kugler bị bắt đi rồi sau đó vào tù,[35] nhưng Miep Gies và Bep Voskuijl được tự do. Chính 2 người này trở lại Achterhuis và tìm thấy những trang nhật ký của Anne vung vãi trên sàn nhà. Họ nhặt chúng lại, cùng những tấm ảnh gia đình Frank, Gies giữ chúng để sau này trả lại cho Anne.[36]

Họ bị giải đến trụ sở Gestapo và bị hỏi cung suốt đêm. Hôm sau, ngày 5 tháng 8, họ bị giải đến Huis van Bewaring (Trại giam), một nhà tù chật cứng người tại Weteringschans. 2 ngày sau, 8 người Do Thái bị đưa đến Westerbork, Hà Lan. Đây là trại chuyển tiếp, vào lúc ấy có đến hơn 100.000 người Do Thái đi qua trại này. Do bị bắt giữ lúc đang ẩn trốn, họ bị xem là tội phạm và bị gửi đến Trại Trừng giới (Punishment Barracks) để lao động khổ sai.[37]

Ngày 3 tháng 9, 8 người này bị đưa đến trại tập trung Auschwitz.[38] Sau 3 ngày đi đường, họ đến nơi và bị tách riêng theo giới tính; từ đó, những người đàn ông và đàn bà không bao giờ gặp mặt nhau lần nữa. Trong số 1019 người bị gửi tới trại, 549 người – tất cả là trẻ em dưới 15 tuổi – bị chọn ra để đối diện với cái chết trong những phòng hơi ngạt. Do đã 15 tuổi 3 tháng nên Anne được sống sót, mặc dù những người trú tại Achterhuis đều thoát khỏi kỳ thanh lọc này, Anne tin rằng cha cô đã bị giết.[39]

Cùng những phụ nữ khác còn sống sót, Anne bị lột trần để tẩy trùng, cạo trọc đầu và xăm số tù trên cánh tay. Ban ngày họ phải lao dịch khổ sai như những nô lệ, ban đêm họ bị nhồi nhét vào những lán trại lạnh lẽo. Dịch bệnh thương hàn bùng phát mạnh mẽ, chẳng bao lâu trên da của Anne xuất hiện đầy những mụn ghẻ.[40]

Ngày 28 tháng 10, lại thêm một đợt thanh lọc khi những nữ tù bị đưa đến Bergen-Belsen. Hơn 8.000 phụ nữ, trong đó có Anne, Margot và Auguste van Pels, bị đưa đi, nhưng mẹ của hai cô phải ở lại.[41] Những lán trại được dựng lên vội vàng để chứa dòng người tù tội và khi số trại viên trở nên quá đông thì số tử vong vì bệnh tật cũng mau chóng tăng cao. Trong quãng thời gian ngắn ngủi này, Anne gặp lại hai người bạn, Hanneli Goslar (biệt danh "Lies" trong nhật ký của Anne) và Nanette Blitz, cả hai đều sống sót. Blitz thuật lại rằng khi ấy Anne bị rụng tóc, gầy hốc hác và run lẩy bẩy. Theo hồi ức của Goslar, mặc dù đang mắc bệnh, Anne rất lo lắng cho Margot mắc bệnh nặng hơn không thể đi nổi. Anne cũng nói với hai người bạn thân cô nghĩ rằng cha mẹ cô đã chết.[42]

Tháng 3 năm 1945, dịch sốt lây lan khắp trại cướp mạng sống khoảng 17.000 tù nhân.[43][44] Những người sống sót thuật lại rằng Margot vì quá yếu đã rơi khỏi giường và chết vì suy kiệt, lúc đó Anne quá yếu không hề biết biết chị mình đã chết. Nhưng cô linh cảm được điều đó và nói rằng có lẽ chị mình đã chết. Vài ngày sau, Anne qua đời, khi ấy cô mới tuổi mười lăm. Hai chị em lìa đời chỉ vài tuần lễ trước khi binh lính Anh đến giải phóng họ vào ngày 15 tháng 4 năm 1945,[45] cho đến nay vẫn chưa có ghi chép chính xác nào về thời điểm họ ra đi.[46][47] Trại tập trung bị thiêu rụi để dập dịch, còn thi thể của Anne và Margot bị vùi trong một ngôi mộ tập thể, cho đến nay vẫn chưa xác định được địa điểm.[48]

Sau chiến tranh, người ta ước tính có khoảng 110.000 người Do Thái bị trục xuất khỏi Hà Lan trong thời kỳ nước này bị Đức Quốc xã chiếm đóng, trong số họ chỉ có 5.000 người sống sót.[49][50]