Theo kế hoạch Charles bị chặt đầu vào thứ 3, ngày 30 tháng 1 năm 1649. Hai người con của ông vẫn còn ở lại Anh dưới sự kiểm soát của Nghị viện: Elizabeth và Henry. Họ được phép đến thăm ông ngày 29 tháng 1, và ông nói với các con những lời chia tay trong nước mắt.[270] Sáng hôm sau, ông yêu cầu hai chiếc áo để tránh thời tiết lạnh giá có thể khiến ông run rẩy mà quần chúng sẽ tưởng là ông sợ hãi:[271][272] "thời tiết mùa này quá khắc nghiệt có thể khiến Quả nhân run rẩy, mà một số người quan sát sẽ tưởng quả nhân sợ hãi. Quả nhân không muốn bị quy tội như vậy."[271]

Ông bị áp giải từ Cung điện St James, nơi ông bị giam giữ, đến Cung điện Whitehall, nơi đoạn đầu đài đã được dựng lên ở phía trước phòng thiết yến.[273] Charles bị đưa ra xa những người chứng kiến bởi một hàng dày các binh sĩ, và ông chỉ nói lời cuối cùng khi đứng trước đoạn đầu đài.[274] Ông cho rằng số phận hiện tại của ông là do từ thất bại trong việc cứu người tôi tớ trung thành của ông, Strafford: "Một điều bất công mà Quả nhân đã làm cho nó có hiệu lực, và bây giờ điều bất công đó đặt lên chính Quả nhân."[275] Ông tuyên bố rằng: "Đối với nhân dân, quả nhân thật sự mong các người có được tự do nhiều như bất cứ ai. Nhưng Quả nhân phải nói với các người, rằng tự do của họ chỉ có được khi có chính phủ; tức là luật lệ nhờ đó mà thần thánh của họ là do họ lựa chọn. Điều này không có nghĩa là dính líu vào một chính phủ mà hầu như chẳng có gì liên quan đến họ. Một thần dân và một đế vương rõ ràng là khác nhau, và do vậy cho đến khi các người biết được điều đó, ý ta là các người đặt nhân dân vào tự do đó như Quả nhân nói, chắc chắn là họ sẽ không bao giờ được hạnh phúc."[276] Ông tiếp tục, "Quả nhân sẽ đi từ một ngai vua có thể hư đốn đến một ngai vua không thể hư đốn, nơi không thể có phiền nhiễu nào, không phiền nhiễu nào trong thế giới đó.”."[277]

Vào khoảng 2 giờ chiều,[278] Charles đặt đầu của ông vào thớt chém sau khi nói vài lời cầu nguyện và ra hiệu với đao phủ khi ông đã sẵn sàng bằng cách dũi tay ra, sau đó ông bị chặt đầu chỉ với một nhát chém xuống.[279] Theo như Philip Henry, một tiếng kêu van "dường như tôi chưa bao giờ nghe trước đó và tôi ước không có giờ phải nghe lại" cất lên từ chỗ đám đông,[280] vài người trong số họ nhúng khăn tay của mình vào máu của nhà vua như là một vật lưu niệm.[281]

Đao phủ đã đeo mặt nạ và cải trang, và có nhiều cuộc tranh luận về danh tính của người này. Ban đầu các ủy viên đã muốn để Richard Brandon, người thi hành án treo cổ ở London làm việc này, nhưng ông từ chối, ít nhất là trong lần đầu, mặc dù đã được hứa trả £200. Có thể ông đã nghĩ lại và nhận lời sau khi bị dọa giết, nhưng có những người khác cũng bị tình nghi, bao gồm George Joyce, William Hulet và Hugh Peters.[282] Sau khi kiểm tra thi thể của nhà vua ở Windsor năm 1813,[283][lower-alpha 8] cho thấy rằng người chém đầu ông là một đao phủ dày dạn kinh nghiệm.[285]

Theo thông lệ truyền thống, đầu của kẻ phản quốc sẽ được đưa đi trưng bày trước công chúng với dòng chữ "Kìa, đầu của kẻ phản bội!"[286] Mặc dù thủ cấp của Charles bị đem thị chúng,[287] nhưng dòng chữ không được dùng kèm theo, có thể là do đao phủ không muốn danh tính của mình bị tiết lộ.[286] Một ngày sau vụ hành quyết, đầu của nhà vua được gắn lại với phần thân, rồi người ta ướp xác ông và đặt nó vào một quan tài chì.[288]

Hội đồng không chịu cho an táng Charles tại Tu viện Westminster, vì vậy thi thể ông được đưa tới Windsor vào tối 7 tháng 2.[291] Ông được an táng trong hầm mộ của Henry VIII bên cạnh thi thể Henry VIII và người vợ thứ ba của ông ta, Jane Seymour, tại Nhà nguyện St George, Lâu đài Windsor, ngày 9 tháng 2 năm 1649.[292] Con trai ông, Charles II, sau đó dự định xây một lăng mộ hoàng gia cho ông ở Hyde Park, London, nhưng nó không bao giờ được dựng lên.[131]