Louis chính thức bị bắt giữ ngày 13 tháng 8 năm 1792, bị đưa đến Temple, một pháo đài cổ ở Paris được trưng dụng làm nhà tù. Ngày 21 tháng 9, Quốc hội tuyên bố bãi bõ chế độ quân chủ, Pháp trở thành nước cộng hòa. Louis bị tước bỏ tất cả danh hiệu và đặc quyền, kể từ ngày ấy ông chỉ được gọi là Công dân Louis Capet.

Cánh Girondin (chủ trương ôn hòa) muốn cầm giữ nhà vua, vừa là con tin vừa là một sự bảo đảm cho tương lai, trong khi những thành viên cực đoan của cuộc cách mạng – nhóm Commune và các viên chức người Paris, được gọi chung là nhóm Montagnard – đòi hành quyết Louis ngay lập tức. Vì cần phải tuân thủ trình tự pháp lý dưới một hình thức nào đó, họ biểu quyết đem Louis ra xét xử trước Đại hội Quốc dân, một tổ chức bao gồm các đại biểu của nhân dân. Dưới nhiều góc độ, vụ án là biểu trưng của một phiên tòa cách mạng. Michelet lập luận rằng cái chết của cựu vương sẽ khiến mọi người chấp nhận bạo lực là công cụ xây dựng hạnh phúc. Ông nói, "Nếu chúng ta chấp nhận tiền đề một người có thể bị hi sinh để nhiều người được sung sướng, thì có thể nói rằng hai hoặc ba người hoặc nhiều hơn nữa cũng có thể bị hi sinh để mang lại hạnh phúc cho nhiều người. Dần dà, chúng ta sẽ thấy hợp lý để hi sinh nhiều người hầu cho nhiều người khác sung sướng, rồi chúng ta sẽ nghĩ rằng đó là điều ích lợi."[24]

Tháng 11 năm 1792, Điện Tuileries xảy ra sự kiện L’armoire de fer. Người ta tin rằng có một chỗ bí mật trong khu vực hoàng gia để cất giấu những tài liệu mật. Bộ trưởng Nội vụ thuộc cánh Girodin, Jean-Marie Roland, tiết lộ tin này. Vụ tai tiếng khiến uy tín nhà vua càng sút giảm.

Ngày 11 tháng 12, người ta đem nhà vua bị phế truất ngang qua những đám đông im lặng trên đường phố đến nhà tù Temple để đứng trước Đại hội Quốc dân nghe đọc cáo trạng về tội phản quốc và tội ác chống lại Nhà nước. Ngày 26 tháng 12, luật sư của nhà vua, Raymond de Sèze, công bố phản ứng của nhà vua đối với cáo trạng.

Ngày 15 tháng 1 năm 1793, Đại hội Quốc dân gồm 721 đại biểu bỏ phiếu. Với bằng chứng rõ ràng về việc Louis thông đồng với quân xâm lược, kết quả cuộc biểu quyết là 693 phiếu kết tội và 23 phiếu trắng. Trong cuộc biểu quyết diễn ra ngày hôm sau quyết định số phận cựu vương, có 288 đại biểu không đồng ý án tử hình nhưng ủng hộ biện pháp giam cầm hoặc cho sống lưu vong, có 72 đại biểu ủng hộ án tử hình nhưng hoãn việc thi hành án, và 361 đại biểu đòi hành quyết Louis ngay lập tức. Philippe Égalité, cựu Công tước Orléans và là anh họ của Louis, bỏ phiếu đòi xử tử cựu vương, đã gây ra nhiều cay đắng trong vòng hoàng tộc Pháp.

Ngày kế tiếp, trong khi 310 đại biểu xin khoan hồng thì có đến 380 phiếu đòi hành quyết Louis. Và đó là quyết định sau cùng. Thứ Hai, ngày 21 tháng 1 năm 1793, Louis bị đưa lên máy chém tại Quảng trường Cách mạng (nay là Quảng trường Concorde). Đao phủ Charles Henri Sanson làm chứng rằng cựu vương can đảm khi đối diện với cái chết.[25]Khi bước lên đoạn đầu đài, Louis tỏ ra nhẫn nhục trong phẩm giá. Ông chỉ nói ngắn gọn khẳng định mình vô tội ("Tôi tha thứ cho những ai gây ra điều bất hạnh này của tôi…"),[26] tuyên bố rằng ông sẵn lòng chết và cầu nguyện cho người dân Pháp được tránh khỏi số phận tương tự. Nhiều người kể lại rằng có lẽ Louis XVI muốn nói thêm nữa, nhưng Antoine-Joseph Santerre, chỉ huy đội Vệ binh Quốc gia, ra lệnh nổi trống để cắt lời của tử tội.[27] Một số nhân chứng thuật lại rằng sau nhát chém đầu tiên, đầu của Louis vẫn chưa rời khỏi cổ. Nhiều người từ trong đám đông chạy đến nhúng khăn tay của mình vào dòng máu của Louis đang chảy tràn xuống đất.[28]