黎天才有點猶豫，擔心潘文鬱會借機逃走。黎天才的擔心並不是多餘的，畢竟潘文鬱是蔣介石要的人，如果潘文鬱脫逃，他無法向張學良交代，張學良也無法向蔣介石交代。盡管事關重大，考慮到他們之間過去的關係，權衡了潘文鬱的為人之後，黎天才最終還是批準了。
獲準回家後，潘文鬱把事情告訴了妻子廖素丹和弟弟潘薪傳。知道他的境況後，妻子和弟弟都為他擔心。兩位親人都勸他：“蔣該殺（蔣介石）是不會放過你的，趁少帥不忍心加害於你的時候，趕緊逃命吧！”潘文鬱搖了搖頭，他表示自己不能跑。
潘文鬱已經做好了最壞的準備。他抓緊最後的機會與妻子和兩個幼小的兒子團聚。當時他的大兒子三歲，小兒子剛滿一歲。最後，他揮淚告別家人，囑咐妻子：“我走後，你趕快帶著兒子回湖南老家躲避。”然後，他與弟弟訣別。把這一切都交代好後，他心裏覺得輕鬆了許多，邁步返回了關押地——張公館。
一直擔心潘文鬱可能一去不複回的黎天才，見他準時回來了，懸在半空的一顆心這才落了地。潘文鬱守信回來，讓黎天才很是感動。潘文鬱理解黎天才的心思，對他說：“我不會跑的，我跑了讓你承當，那不是人做的事！”
黎天才把潘文鬱按時返回以及所說的一番話彙報給了張學良，張學良更加敬佩潘文鬱的氣節與品德。少帥當即提筆給潘文鬱寫了一封信，安慰潘文鬱不要驚慌，安心在張公館住著，並表示他會盡最大的努力解救他。
再遭出賣 從容就義
在張學良的努力下，事情拖了近一個月，南京方麵沒有再催辦潘文鬱案。可就在張學良看到曙光的時候，被捕的原北京特科成員楊青林經不住酷刑的折磨，最後還是投降叛變了！他向國民黨憲兵三團團長蔣孝先供認：潘文鬱並沒有真正脫離中共，他的真實身份是北平特科的情報人員。楊青林不但供出了潘文鬱是潛伏在張學良身邊的紅色諜工，還說他自己就是與潘文鬱單線聯絡的人，潘文鬱曾提供了大量軍事情報給他，通過他再送到中共的決策機關。
楊青林這樣一招供，使潘文鬱的身份徹底暴露。本來還有一線希望，就單單隻是那一份文件，沒有叛徒供出他的話，或許還有轉機，楊青林的出賣，讓張學良等人的努力最終化為了泡影。
手握確鑿證據後，蔣介石大怒，火急手書電報，要張學良將潘文鬱立即逮捕監禁。電文大意是：據駐北平憲兵三團、河北省黨部、北平市黨部密報稱，共黨河北省委破獲後，發現鄂豫皖“剿匪”總部機要秘書潘文鬱與匪勾結，證據確鑿。潘在黎天才掩護之下進行匪諜陰謀已久，著即一並逮捕。電報中蔣介石限令張學良將潘文鬱迅速處決，將涉嫌的黎天才等一並押解南京待審。
張學良接到命令後，還寄希望於蔣介石開恩，他複電蔣介石請求寬恕潘文鬱的罪行，他重複過去說過的：“這個人精通六國語言，很有才華，這樣的人，中國還極少，可以改造為我所用”。蔣介石對此不為所動，又接連打來幾份電報。老蔣在催促速辦此案之外，還斥責張學良疏於防範和執法不嚴，並指定要由參謀長錢大鈞親自監刑。
愛才的張學良對潘文鬱下不了手，他電複蔣介石，再次為潘文鬱求情。這一求情，招致蔣介石嚴厲斥責。張學良見蔣介石鐵了心要殺潘文鬱，知道這回潘文鬱難以幸免，心裏很難過。無奈之下，隻得麵見潘文鬱，對他說：“委員長發脾氣了，他的脾氣很厲害，我實在無法保全你了，你還有什麼身後的事要辦？”
重返虎穴的潘文鬱，早已經抱定了必死的決心。事情發生後，潘文鬱在被軟禁的日子裏想了很多。現在為理想獻身的這一刻就要來臨，潘文鬱對張學良說：“死前，我想留下些想說的話。”張學良惋惜地看著潘文鬱，點頭同意。按潘文鬱的要求，他讓手下為他準備好紙和筆。
潘文鬱有很多話要說，他一夜未合眼，奮筆疾書到天亮。
這一夜至通宵，潘文鬱寫了3萬多字的自述，說明其脫黨以後的精神痛苦，並再次與中共黨組織聯係的經過。其中有對共產主義運動的形成、中國共產主義運動的曆史以及他為什麼加入共產黨等等作了詳細的敘述；因為他是黎天才推薦給張學良的，自述中對累及黎天才表示遺憾。
放下筆，他朝家鄉襄陽東津灣鎮的方向眺望。少小離家鬧革命，雖很少回去看家鄉父老，但心裏對家鄉那份熱愛之情卻一刻也未曾減少。此時，東方地平線的一輪紅日正噴薄欲出。潘文鬱長歎了一口氣——他有點遺憾，因為馬上要離開人世，所學和誌向來不及再回饋家鄉和革命事業了。
第二天，也就是1935年3月3日，張學良看到了這份自述。對潘文鬱的人生經曆和臨危不懼的態度，張少帥既佩服又感動，但他未敢保存這份自述，最終還是將它銷毀了。
這天黃昏，年僅29歲的潘文鬱走出張學良的官邸，從容地走向刑場。據目擊行刑的一個國民黨軍官事後描述，潘文鬱赴刑場的時候非常從容、鎮靜，麵不改色，把雙手向後一背，示意劊子手捆綁。然後，他轉身，麵向對準自己的槍口，視死如歸。槍聲響了，一個紅色特工犧牲了！潘文鬱被害幾天後，蔣介石派人前往武漢暗訪，證實“潘東周”被處決，這才放心。
事後，張學良曾心情沉重地感慨道：“殺朋友是最不應該的，也是最難過的……”正因如此，他力保另一位朋友黎天才，黎才沒有遭受蔣介石的毒手。這位黎天才，後來在和平解決“西安事變”中，發揮了不小的作用。
沒過多久，沒有利用價值的叛徒楊青林被國民黨槍斃於南京雨花台，同時被殺的還有特科成員劉子奇等人。國民黨對北京特科成員及其家屬百般摧殘，劉子奇的妻子陳紅在監獄臨盆，產後慘死獄中。
潘文鬱的妻子廖素丹遵照丈夫的囑咐逃回湖南老家避難，一直過著提心吊膽的日子，她深為潘文鬱的安危擔憂。不久，還是傳來了潘文鬱犧牲的消息。她得到丈夫被槍殺的噩耗後，當即大口吐血而昏倒。蘇醒過來後，她決定去為親人收屍。親友們認為這個時候去很危險，但她不顧安危，連夜趕往武漢收屍。
廖素丹知道潘文鬱與張學良的關係，深知殺潘文鬱是蔣介石的命令，張學良還是念舊情的。所以到武漢國民黨“剿總”後，便直接要求見張學良。也許是對處決潘文鬱深感惋惜和不安，張學良沒有出麵，派副官接見了廖素丹。張學良的副官告訴廖素丹，潘文鬱的屍首已被南京來人收去了。本來潘文鬱臨刑前，寫了一個通宵的文稿，也許這份自述可視作他的遺書。但對於潘文鬱的遺書，張學良的副官隻字未提。所以潘文鬱遺書寫了些什麼，很長一段時間都是個謎。
未能保住朋友性命，張學良深懷惋惜之情，他吩咐副官贈給廖素丹一筆錢，讓她回老家撫養兒女。廖素丹含悲忍痛，拉扯兩個嗷嗷待哺的兒子。為了生計，她當過清潔工、保姆、店員、保管員和小學教員等，生活拮據時，她把家產，包括結婚時潘文鬱送給她的紀念物都變賣了，苦撐到武漢解放。
潘文鬱犧牲後，中共方麵也是深感痛惜。消息傳到周恩來那裏，周恩來非常悲痛，他用“有重大貢獻而過早犧牲”這十個字評價潘文鬱短暫的一生。1949年武漢解放後，周恩來親自發電報到武漢，指示一定要找到潘文鬱的家屬，並作為烈屬對待。武漢解放後，廖素丹被軍管會安置在湖北省圖書館工作，後來調到湖北省保育院托兒所工作，病逝於1976年。
十年浩劫結束後，幸存下來的吳成方希望上級搞清楚“北京特科”以及潘文鬱的情況。公安部史料征集辦公室牽頭，北京市公安局曆時7年，終於查清了潘文鬱許多不為人知的壯烈經曆。1988年5月30日，在潘文鬱犧牲53年後，中華人民共和國民政部根據國家安全部的意見，批準追認他為革命烈士。