"Góa phụ Capet", người ta gọi cựu Vương hậu như thế sau khi chồng bà qua đời, bà đã than khóc chồng và từ chối thức ăn. Sống lưu vong, Louis, Bá tước de Provence tuyên bố cháu trai là Tân vương nước Pháp với ông là nhiếp chính mặc dù không ai biết Marie Antoinette có can dự vào việc này hay không. Sức khỏe mau chóng suy yếu, Marie Antoinette mắc bệnh lao và có lẽ là ung thư tử cung, khiến bà thường xuyên bị xuất huyết[75].

Tại Quốc hội, người ta bàn bạc để quyết định số phận của Marie Antoinette. Có người muốn kết thúc mạng sống bà, có người muốn dùng bà để trao đổi tù binh với Hoàng đế La Mã thần thánh. Thomas Paine gởi đến đề nghị cho bà sống lưu vong ở Mỹ[76]. Đến tháng 4, Ủy ban An ninh được thành lập, những người như Jacques-René Hébert yêu cầu đưa Antoinette ra xét xử; cuối tháng 4, phe Girondin bị tước quyền rồi bị bắt giữ[77]. Có đề nghị "cải huấn" Trữ quân sao cho phù hợp với lý tưởng cách mạng. Ngày 3 tháng 7, cậu bé Louis Charles tám tuổi bị tách khỏi mẹ, rồi được giao cho một người thợ giày chăm sóc[78]. Ngày 1 tháng 8, Marie Antoinette bị đem khỏi tòa tháp để giải đến Conciergerie, là người tù mang số 280[79]. Trong tháng 9, có một vài kế hoạch giải thoát Marie Antioinette nhưng bà từ chối[80].

Ngày 14 tháng 10, Marie Antoinette bị đem ra xét xử trước Tòa án Cách mạng. Trước đó, Louis XVI từng có đủ thời gian để chuẩn bị biện hộ cho mình trước tòa, thì ngược lại, Antoinette không có đủ một ngày để làm việc này. Trong số những cáo buộc (hầu hết xuất phát từ những tin đồn), có việc tổ chức những cuộc truy hoan ở Versailles, lấy từ ngân khố hàng triệu livre để gởi sang Áo, âm mưu giết Công tước Orléans, loạn luân với con trai, tuyên bố con trai là Vua nước Pháp, và tổ chức vụ tàn sát đội Vệ binh Thụy Sĩ năm 1792.

Điều sỉ nhục lớn nhất là cáo buộc cho rằng bà đã có hành vi lạm dụng tình dục đối với con trai. Louis Charles, qua sự dàn dựng của Hébert và một cận vệ của cậu, đã cáo buộc mẹ như thế. Marie Antoinette không chịu trả lời, song sau khi bị tòa nhắc nhở, bà đã phản ứng đầy cảm xúc, những người có mặt tại phiên tòa (nhất là các phụ nữ) ủng hộ và hoan hô bà[81]. Từ lúc bị đem ra xét xử, Marie Antoinette luôn giữ được sự điềm tĩnh cho đến khi người ta đưa ra cáo buộc này, bà nói: "Nếu tôi không trả lời là bởi vì ngay cả Thiên nhiên cũng không muốn phải trả lời cho một cáo buộc như thế đã được đưa ra để chống lại một người mẹ."[82]. Hai luật sư biện hộ cho Marie Antoinette trước tòa, Tronçon-Ducoudray và Chauveau-Lagarde, đều còn trẻ và thiếu kinh nghiệm, cũng không có đủ hiểu biết về vụ án. Họ chẳng làm gì hơn là đọc to một số điều họ ghi nhận được tại tòa.

Sáng sớm ngày 16 tháng 10, sau hai ngày xét xử, Marie Antoinette bị kết án phản quốc[83]. Trở lại xà-lim, bà viết thư cho cô em chồng, Madame Élisabeth, khẳng định lương tâm trong sáng của mình, đức tin Công giáo, và tình cảm bà dành cho các con. Đáng tiếc, bức thư không bao giờ đến tay Élisabeth[84]. Ngay trong ngày, Marie Antoinette bị cắt tóc, bị dẫn đi diễu qua Paris trên một chiếc xe kéo. Giữa trưa, lúc 12:15, bà bị chém đầu tại Quảng trường Cách mạng (nay là Quảng trường Concorde), hai tuần lễ rưỡi trước sinh nhật thứ 38.[85][86]. Câu nói sau cùng của bà, "Xin lỗi ông, chỉ vì tôi vô ý" khi vô tình dẫm lên chân đao phủ Henri Sanson lúc bà leo lên đoạn đầu đài. Thi thể của bà bị ném vào một ngôi mộ vô danh trong nghĩa trang Madeleine nằm trên đường d’Anjou.

Năm 1794, Madame Élisabeth bị hành hình, con trai của Marie Antoinette cũng chết trong tù. Sau một cuộc trao đổi tù nhân, con gái cả của bà là Maria Theresa Charlotte trở về nước Áo, lập gia đình với Louis-Antoine, Công tước của Angoulême và chết không con cái năm 1851[87].

Ngày 21 tháng 1 năm 1815, Marie Antoinette và Louis XVI được cải táng tại nghĩa trang của các Quốc vương Pháp ở Nhà thờ St Denis sau khi Nhà Bourbon được phục hồi và Bá tước de Provence trở thành Louis XVIII của Pháp[88].