Tuy cố sức kình chống, nhưng từ giữa tháng 11 (âm lịch) năm Giáp Ngọ (1834), cuộc nổi dậy do Nông Văn Vân làm thủ lĩnh cứ diễn biến xấu dần, và trên thực tế đang bước vào giai đoạn cuối. Ở mặt trận Thái Nguyên, nhiều căn cứ quan trọng của quân nổi dậy ở các xã Nhạn Môn, Bằng Thành, Bộc Bố, nhất là hệ thống đồn trại ở Bắc Niệm...đều đã lọt vào tay quân triều. Ở Tuyên Quang, sau trận quyết chiến ở khu rừng Bạch Đích thì "cổ họng vào Bảo Lạc ở phía tây" coi như đã bị cánh quân của Lê Văn Đức chọc thủng...Ngày 14 tháng 11 (âm lịch), được tin đạo quân Tuyên Quang của tướng Đức đã vào đến Vân Trung, tướng Tạ Quang Cự liền tập trung hơn 2.500 quân thuộc đạo Cao Bằng, nhân đêm tối vượt qua lũng Dầu, theo đường tắt đánh thẳng vào Cạm Bẻ (Bế Lĩnh), là cửa ngõ phía đông của căn cứ Ngọc Mạo, rồi tràn xuống thung lũng Ngọc Mạo...Tháng 12 (âm lịch), Nguyễn Đình Phổ và Nguyễn Công Trứ vừa đi vừa đánh, lần lượt chiếm lấy Bắc Nẫm, Cổ Đạo, Giai Lạc...Khi ba đạo quân Tuyên, Cao, Thái hội ở Vân Trung, thì "nghịch Vân đã đem vợ con trốn sang Tàu"[13].

Đồng thời với việc cho quan quân tiến vào đánh phá Vân Trung, vua Minh Mạng còn sai bộ Lễ gửi công văn nhờ các quan nhà Thanh hỗ trợ phòng khi Nông Văn Vân chạy sang Trung Quốc lần nữa. Ngoài hai việc ấy, nhà vua còn cho đổi châu Bảo Lạc thành huyện Để Định, lựa hai thổ ty đắc lực đặt làm Tri huyện và Huyện thừa, cốt để triệt phá hậu phương lớn của thủ lĩnh Vân [14].

Quả nhiên, Nông Văn Vân chạy sang Trung Quốc như đã kể trên, bị quân nhà Thanh đuổi bắt, lại phải trở về Bảo Lạc, định củng cố lại lực lượng. Quân triều lại tập trung đánh vào nơi ấy, ông tháo chạy vào rừng. Bị cả ba đạo quân triều truy lùng ráo riết, nhiều chỉ huy của quân nổi dậy bị bắt hoặc ra hàng. Trong số ra hàng, có viên Chánh quản lữ là Nông Tịnh Hòa. Vì lời khai của ông này, mà quân triều dò được chỗ trú ẩn của Nông văn Vân.

Được tin Nông Văn Vân đang ẩn ở xã Ân Quang, quan quân nhà Nguyễn liền đi truy nã, nhưng ông đã chạy thoát vào rừng Thẩm Pát (ở gần căn cứ Ngọc Mạo, thuộc Bảo Lạc). Sau khi cho quân vây kín cả bốn mặt, ngày 11 tháng 3 năm 1835[15], tướng chỉ huy ra lệnh phóng hỏa đốt rừng, và nói là đã tìm thấy Nông Văn Vân bị chết cháy ở trong đó.

Sách Bắc Kỳ tiễu phỉ (Quyển 77) chép:

...Ngày 9 tháng 3 (âm lịch) năm 1835 quan quân Nông Văn Vân thua trận, ẩn náu trong rừng Thẩm Pát bị quân triều đình phóng hỏa đốt cháy cả khu rừng. Nông Văn Vân bị thiêu chết, rơi xuống hang đá Thẩm Pát, bên cạnh xác chết còn có một thỏi vàng và một con dao găm mạ vàng bạc [16].

Sách Đại Nam chính biên liệt truyện thuật:

Tên ra thú là Nông Tịnh Hòa dò được thực đi báo nơi quân thứ, Lê Văn Đức và Phạm Văn Điển tức thì phái Vệ úy Nguyễn Văn Quyền đem hơn ngàn binh dũng tới vây bắt...Sợ Vân trốn thoát, (Nguyễn Văn) Quyền cho phóng hỏa đốt cả bốn mặt, (Nông Văn) Vân ở trong lỗ đá chui ra chết về lửa. Đức và Điển cho đệ lá hồng kỳ chạy như bay về báo tiệp và đóng hòm đầu Vân đưa dâng, rồi lấy sào cao treo ngược thây ở đỉnh núi Vân Trung. Thủ cấp Vân đưa tới, vua sai đem treo ở chợ búa ba hôm. Lại truyền cho các tỉnh từ Quảng Nam trở vào Nam và từ Quảng Trị trở ra Bắc treo ba hôm, sau đâm nát quẳng xuống hố xí. Mộ của tổ phụ Vân, (vua) sai người đào hài cốt ném xuống sông. Con Vân là Lôi đưa về Kinh xử trị, còn gia quyến và đồng đảng Vân đều bị giết hết, không còn sót mống nào[17].

Đến đây (tháng 3 âm lịch năm 1835), cuộc nổi dậy chống Nguyễn do Nông Văn Vân và đồng đội dày công xây dựng kể như đã bị dập tắt.