Trần Bá Lộc dụ hàng, Mai Xuân Thưởng khẳng khái nói: Chỉ có đoạn đầu tướng quân, chứ không có hàng đầu tướng quân[6]. Biết không thể khuất phục được, đối phương đã đưa ông cùng các thuộc hạ ra xử trảm tại Gò Chàm (phía đông thành Bình Định cũ). Thi hài ông sau đó được đưa về táng tại Cây Muồng (nơi cha ông đã yên nghỉ), thuộc thôn Phú Lạc.

Và theo báo cáo do Tirant thiết lập ngày 11 tháng 6 năm 1887 gửi Thống đốc Nam Kỳ (tư liệu số Aix11.929), thì:

Có ba đợt hành quyết: ngày 1 tháng 6 có năm người, trong đó có Lê Khanh; ngày 7 tháng 6 có 12 người, trong đó có Mai Xuân Thưởng và Bùi Điền; ngày 12 tháng 6 có chín người và ngày 13 tháng 6 có một người. Tổng cộng có 27 người bị hành quyết, trong đó có một vài người là thủ lĩnh lớn nhất của phong trào Bình Định-Phú Yên.

Căn cứ vào đây thì Mai Xuân Thưởng bị xử chém vào đợt thứ hai, ngày 7 tháng 6 năm 1887, chứ không phải ngày 6 tháng 6 như tài liệu lâu nay đã ghi.[4].

Năm 1961, nhà thơ Quách Tấn và nhiều người dân đã đứng ra vận động xây dựng lăng mộ nhà Mai Xuân Thưởng và các lãnh tụ Cần Vương khác của quê hương Bình Định. Ngày 22 tháng 1 năm đó (1961), nhân dân ở Tây Sơn đã làm lễ đưa hài cốt ông từ Phú Lạc về lăng mộ trên một quả đồi cao thuộc thôn Hòa Sơn, xã Bình Tường. Đây cũng chính là căn cứ mà lúc sinh thời, ông dựng cờ khởi nghĩa chống Pháp [7].