Cả hai phiên tòa cùng diễn ra trong tháng 6 năm 1956, sơ thẩm ngày 11 và thượng thẩm ngày 26 của Tòa Đại hình và phiên tòa ngày 4 tháng 7 năm 1956 của Tòa án Quân sự đều tuyên án tử hình ông với tội danh mưu phản. Đại sứ Anh quốc tại Việt Nam Cộng hòa cũng có thư đề nghị ân xá cho Ba Cụt. Ngày 8 tháng 7 năm 1956, Tổng thống Ngô Đình Diệm đã ký sắc lệnh số 98-TP không ân xá cho ông. Ông xin được xử bắn ở pháp trường (chết trong danh dự) nhưng không được chấp thuận.

Vào lúc 5 giờ 45 phút sáng ngày 13 tháng 7 năm 1956, ông đã bị hành quyết bằng hình phạt chém đầu tại Cần Thơ. Hưởng dương 33 tuổi.

Tính ra từ ngày ông bị bắt 13 tháng 4 năm 1956 cho đến ngày bị hành hình 13 tháng 7 năm 1956, chỉ vỏn vẹn có ba tháng, một thời gian kỷ lục quá ngắn trong lịch sử pháp đình ở miền Nam Việt Nam.

Sau khi hành quyết ông, tướng Dương Văn Minh hạ lệnh cho Nguyễn Văn Nhung (người sau này giết Tổng thống Ngô Đình Diệm và cố vấn Ngô Đình Nhu) đến đào mả lên băm xác thành nhiều khúc, để đề phòng người của ông đến lấy xác đem về chôn cất trong chiến khu của họ.[23][24]

Ngày 13 tháng 7 năm 1964 (sau khi chế độ Ngô Đình Diệm bị lật đổ), một lễ kỷ niệm 8 năm ông bị giết đã được tổ chức ở Thốt Nốt, Cần Thơ với sự tham dự của hơn năm ngàn chiến sĩ Dân Xã Đảng. Đại diện Chính phủ có Thiếu tướng Lâm Văn Phát, Tổng trưởng Nội vụ, và ông Phạm Thái, Tổng trưởng Thông tin. Một Kiến nghị xin hủy bỏ các bản án, phục hồi công quyền và phục chức của ông cũng đã được trình lên Chính phủ.

Ngày 26 tháng 7 năm 2013 hài cốt của ông được tìm thấy tại Bà Rịa - Vũng Tàu.