在這種情況下，安國軍和京師警察廳聯合行動，在1927年清明節的這一天出動了軍警三百餘人，突然闖入東交民巷俄國使館等幾個要害地區，搜查並抓捕(確切地說是綁架)革命黨人。為了避免引起外交事端，這些軍警一律穿著便衣，並且不帶武器。考慮更為周密的是，這些人中有一部分是攜帶滅火器具的消防隊人員，主要是怕革命黨人放火燒毀文件及房屋，湮滅證據。
東交民巷俄國使館房間頗多，地形複雜，如果沒有熟悉的人引導，一時間也不會很快找到李大釗，弄不好還會打草驚蛇。果然，在奸細的帶領下，李大釗猝不及防，很快就被抓住。李大釗身邊就有一支小手槍，但他並沒有使用。像他這種身份的人，自然不能像街頭混混那樣徒勞掙紮，因此他態度從容地說:“我就是李守常，也叫李大釗。”
參加緝捕的消防人員派上了用場。一些秘密文件沒有來得及銷毀，事後這些文件成了“罪證”，京師警察廳公布了這些文件，由精通俄語的察哈爾外交特派員張國忱編譯成《蘇聯陰謀文證》，大肆炒作。
就在抓捕李大釗的當天晚上，駐華外國使團領袖歐登納發表了一份早已經準備好的聲明，大意是說“俄國不在《辛醜條約》簽字國之列，故外交團亦無法製止中國軍警搜查其在東交民巷區域內所設立之機關。”因此，此次使館區的抓捕行動並未釀成外交事端。
在獄中，李大釗保持了一個共產黨領袖的風範，“自稱為馬克思學說的崇信者，其他一切概不知曉”。各方對李大釗進行了營救，都沒有奏效。有些受過李大釗恩惠的鐵路工人甚至打算武裝劫獄，不惜以性命相搏，也被李大釗婉言謝絕了--為了救自己的命，搭上別人的命，這不是李大釗的風格。
4月28日下午1時許，李大釗等被“特別法庭”判處絞刑的二十人，包括同時被捕的國民黨北方黨部負責人，被押解到西交民巷京師看守所，秘密執行絞刑。
這是中國第一次用進口的刑具執行絞刑，李大釗第一個登上絞刑架。劊子手對他施刑長達四十分鍾之久，而正常的絞刑隻需二十分鍾。至於絞刑為何拖了如此長時間，說法不一。有人認為這樣做是為了延長李大釗臨死前的痛苦，以說明劊子手如何殘忍。
也有人認為執行時間的延長很有可能是由於技術上的失誤引起的。絞刑刑具運到中國來的時間並不長，劊子手操作不熟練，執行中很可能發生機械故障。從常理判斷，劊子手與李大釗個人之間並無私仇，延長痛苦對劊子手有何好處?況且還會受到輿論的譴責。再者說，職業殺人講究幹淨利落，拖泥帶水隻能引起同行的恥笑。
李大釗殉難時年僅三十九歲。在臨刑前，他詛咒了這個社會，並預言黑暗的社會製度必將會為一種嶄新的社會製度所代替。二十二年後，李大釗的詛咒應驗了。
李大釗等人被絞死後，軍閥政府假惺惺地表現了“人道主義”關懷，對每一位殉難者都進行了裝殮，由政府出資每人給了一口棺材。給別人的棺材價值四十元，唯獨對李大釗格外“優待”，他的棺材據說花費了七十元。為了讓這些錢花得物超所值，官方控製的新聞媒體進行登報宣傳，借以體現“政府很關心，家屬情緒很穩定”。