Nguyễn Phúc Ánh, khi này đã lên ngôi và lấy hiệu Gia Long (1802), chiêu hàng Trần Quang Diệu. Ông đáp:

Trung thần không thờ hai vua, nay tôi bị bắt thì chỉ có tội chết. Nếu nhà vua mới rộng lượng tha cho, như trước đây tôi đã tha cho các tướng ở Quy Nhơn thì tôi sẽ về ở nơi thôn dã, cày ruộng, nộp thuế như người thường dân, chứ nhận chức quan của triều đại mới thì không phải là trượng phu..

Biết không thể khuất phục được Trần Quang Diệu, vua nhà Nguyễn xử ông tội chết. Về cái chết của ông, có bốn thông tin:

• Trần Quang Diệu và các tướng lĩnh khác bị chém bêu đầu: ''Thiếu phó Trần Quang Diệu, Tư đồ Võ Văn Dũng, Tư mã Nguyễn Văn Tứ; Đổng lý Nguyễn Văn Thận, Đô ngu Nguyễn Văn Giáp, Thống tướng Lê Văn Hưng, cùng với bè lũ đầu sỏ đều đã bắt giam, đều đem giết cả, bêu đầu bảo cho dân chúng'' [10]
• Phạm Khắc Hòe, nguyên Đổng lý Ngự tiền văn phòng triều Bảo Đại, cho rằng vì ông thờ mẹ già 80 tuổi có hiếu nên vua Gia Long chỉ ra lệnh chém đầu, chứ không hành hình như một số người khác [11].
• GS. Nguyễn Khắc Thuần, cho rằng ông bị xử lột da sống. Thông tin này được nhiều nhà nghiên cứu đồng thuận, trong đó có: Nguyễn Q. Thắng - Nguyễn Bá Thế, Quách Tấn, Trần Xuân Sinh [12].
• Trần Quang Diệu nhờ tha chết cho binh tướng Võ Tánh mới được đặc ân uống thuốc độc, khỏi bị voi xé như vợ con. Thông tin này lấy trong sách Lịch sử nội chiến 1771-1802 của nhà sử học Tạ Chí Đại Trường[13].