Lúc 5 giờ 30 phút sáng ngày 17 tháng 6 năm 1930, tại Yên Bái, thực dân Pháp dùng máy chém chặt đầu ông và 12 đồng chí khác, trong số đó có Đảng trưởng Nguyễn Thái Học:

• Nguyễn Thái Học
• Bùi Tư Toàn
• Bùi Văn Chuẩn
• Nguyễn An
• Hà Văn Lạo
• Đào Văn Nhít
• Ngô Văn Du
• Nguyễn Đức Thịnh
• Nguyễn Văn Tiềm
• Đỗ Văn Sứ
• Bùi Văn Cửu
• Nguyễn Như Liên

Phó Đức Chính là người thứ 12 bước lên máy chém. Ông là người duy nhất đã yêu cầu được nằm ngửa để xem lưỡi dao rơi xuống như thế nào.

Sau khi hành quyết các nhà cách mạng VNQDĐ tại Yên Bái, Pháp cho chôn chung một mộ. Năm 1945, quân đội Việt Nam Quốc Dân Đảng chiếm đóng Yên Bái, cho trùng tu mộ phần và lập đền thờ kỷ niệm. Ngày nay khu lăng mộ tọa lạc trong công viên Yên Hòa[2] thuộc tỉnh Yên Bái và được xếp hạng di tích lịch sử văn hóa.

Nhạc sĩ Phó Đức Phương (1944 - 2020) là cháu ruột của ông [3].