Có tin cho rằng Tướng Nguyễn Khánh, người tham gia lật đổ ông Dương Văn Minh trong cuộc đảo chính tháng Giêng năm 1964, đề nghị cho Ngô Đình Cẩn ra nước ngoài sống lưu vong với điều kiện ông Cẩn phải chuyển tiền vào tài khoản ngân hàng của mình ở Thụy Sĩ. Ông Cẩn phản đối đề nghị này, nói rằng mình không có tiền. Trong cuốn hồi ký của mình, Trần Văn Đôn cho rằng trước sau gì ông Khánh cũng sẽ xử tử ông Cẩn, vì ông Cẩn nắm trong tay thông tin về sự tham nhũng của các tướng lĩnh tham gia đảo chính.[64] Dưới thời Tổng thống Ngô Đình Diệm, Nguyễn Khánh chỉ huy Quân đoàn II QLVNCH hoạt động ở Tây Nguyên dưới sự giám sát của Ngô Đình Cẩn.[65][66] Mặc dù đã giúp bắt ông Cẩn nhưng Đại sứ Lodge khuyên Tướng Khánh nên tự kiềm chế và nhẹ tay với bản án vì sợ gây ra làn sóng phản đối trong giáo dân cũng như làm đảo lộn dư luận quốc tế với án tử hình.[67]

Bản thân ông Cẩn đã phải đối mặt với các cáo buộc đến từ các nhân chứng tự coi mình là nạn nhân của chế độ Ngô Đình Diệm.[67] Trong phiên tòa xét xử, hòa thượng Thích Trí Quang cùng các nguyên đơn khác kiên quyết bác bỏ bản án khoan hồng, vận động đòi án tử cho ông Cẩn.[67] Lý do mà những người này đưa ra đó chính là nếu ông Cẩn còn sống, trước sau gì cũng có cơ hội phục hồi quyền lực vì gia đình họ Ngô có rất nhiều người ủng hộ. Ban đầu Đại sứ Lodge chỉ trích việc Thích Trí Quang vận động đòi xử tử Ngô Đình Cẩn.[68] Trong một cuộc gặp gỡ với Lodge vào đầu tháng 4 năm 1964, Thượng tọa Thích Trí Quang cảnh báo rằng cuộc chiến chống cộng và hậu thuẫn của Phật giáo dành cho Washington sẽ bị suy giảm nếu người Mỹ không ủng hộ một bản án đủ cứng rắn cho ông Cẩn.[67] Vào ngày ngày 22 tháng 4 năm 1964, ông Ngô Đình Cẩn bị Tòa án Cách mạng tuyên án tử hình.[69] Ít ngày sau, ông Cẩn đệ đơn lên Quốc trưởng Dương Văn Minh xin ân xá. Rồi Tổng giám mục Phaolô Nguyễn Văn Bình cũng gửi một lá thư tới Dương Văn Minh xin ân xá với lý do là ông Cẩn đang bị bệnh rất nặng, không còn sống được bao lâu cho nên không cần thiết phải hành quyết.[70] Điều này một lần nữa đặt ông Minh vào vị trí nắm giữ quyền sinh sát một thành viên gia đình họ Ngô, vì trước đó chính ông là người trực tiếp ra lệnh cho cận vệ Nguyễn Văn Nhung giết chết Ngô Đình Diệm và Ngô Đình Nhu trong cuộc đảo chính.[71]

Trong quá trình diễn ra phiên tòa, bệnh tiểu đường của ông Cẩn ngày càng trở nên trầm trọng còn mẹ già của ông cũng qua đời. Vào ngày 9 tháng 5 năm 1964, do sức khỏe quá yếu và không thể tự đi một mình, ông được cáng vào sân trong nhà tù, được hai người lính canh và hai linh mục Công giáo hỗ trợ để đứng thẳng bên cột. Ông từ chối bịt mắt, bày tỏ muốn được nhìn tận mắt cuộc hành quyết của mình. Đề nghị của ông bị từ chối và ông đã bị xử bắn trước sự chứng kiến của khoảng 200 người quan sát.[60] Đại sứ Lodge lên tiếng phủ nhận trách nhiệm của mình trong vụ án, tuyên bố rằng Hoa Kỳ đã làm tất cả những gì có thể để ngăn chặn vụ hành quyết xảy ra. Lodge từng tuyên bố cho phép ông Cẩn tị nạn tại Đại sứ quán Hoa Kỳ,[64] nhưng cũng chính ông là người ra lệnh cho Conein chặn bắt ông Cẩn tại Tân Sơn Nhứt.[63] Linh mục Phaolô Cao Văn Luận, viện trưởng Viện Đại học Huế, người bị chính quyền Ngô Đình Diệm cách chức viện trưởng vì cho rằng ông không có biện pháp cứng rắn đối phó với sinh viên Phật giáo đấu tranh chống chế độ, đã yêu cầu Đại sứ Lodge không được xử tử Cẩn. Theo linh mục Luận, Lodge đã từng khẳng định với ông rằng vụ hành quyết sẽ không diễn ra.[64]

Thi thể ông Cẩn được chôn tại nghĩa trang sân bay Tân Sơn Nhứt, về sau quy tụ về nghĩa trang Lái Thiêu (tỉnh Bình Dương), nằm chung với hai anh Ngô Đình Diệm, Ngô Đình Nhu và mẹ Phạm Thị Thân.[72] Sau khi chết, số tài sản cá nhân của ông Cẩn đã được quyên góp cho các tổ chức từ thiện Công giáo thông qua các ngân hàng nước ngoài.[73]