張永興幾次冒險嚐試轉移收發報機及情報，但最終都未能成功。11月18日早晨，張永興、張克興等共產國際情報組織成員不幸在中央路的隱蔽點被捕。
破獲這樣大的間諜案，自關東軍建立以來還是第一次。當時日本憲兵隊非常興奮，開了慶功會。
東條英機特意發來電報，要求勸降張永興等人，為他們所用，最後不行再槍殺。所以日本憲兵隊在日本關東軍特工的配合下，對逮捕人員進行了突擊審訊。日本特務試圖誘降張永興、張克興。麵對敵人的誘惑，他們毫無動搖。誘降失敗的日本憲兵，轉用嚴刑逼供。令日本特務機關沒有想到的是，在用盡各種酷刑後，張永興卻給他們背組織條例，張永興說：“我們的組織有嚴格規定，凡是在蘇聯聽到的話，認識的人，不準和外人談論。”更令日本特務吃驚的是，張永興的弟弟張克興，在遭受酷刑折磨後，說的話竟然同大哥完全一樣。
惱羞成怒的日本憲兵剝光了張永興的衣服，將他綁在長凳子上，用水壺不停地往嘴裏和鼻孔裏灌涼水，將肚子灌滿後，特務們又騎在他身上，把水壓出去。壓癟了再灌，灌鼓了再壓，直到嘴裏噴出的不再是水而是鮮血。反複地灌擠和其它酷刑的折磨，使張永興幾次昏死過去。醒過來以後，張永興瞪著眼睛：“你們別問了，死我也不會說的。你們侵略了我們的國家，我怎麼能投降你們？”嚴刑逼供無法讓張永興屈服，日本憲兵又卑鄙地用親人逼降。
日本憲兵為了獲得戰功佐證，逼迫張永興的家人與他們拍了一張合影照片。張永興有7個孩子，因為不想讓孩子在東北接受日本的奴化教育，他已經把兩個較大的女兒送到了蘇聯去學習。留在他身邊最大的孩子是他的三女兒張艾琳，當時隻有12歲。張永興7個孩子中，隻有一個男孩兒，這個小兒子張誌成可以說是全家人的心頭肉。日本人拍完照片之後把張永興的妻子和三女兒張艾琳、小兒子張誌成帶到了憲兵隊。妻子了解自己的丈夫為了信仰絕不會屈服，這次見麵將是生離死別。她把家裏最好的，也是唯一的一條毛毯帶到了憲兵隊。當這個善良的女人看到被敵人摧殘得遍體鱗傷、幾近脫形的丈夫時，一句話也說不出來，隻是痛哭。還是張永興先開了口。他說：“日本人讓你來的目的我清楚。你怎麼把這麼好的毛毯送來給我？我在這裏也用不上它。你把它拿回去，以後生活困難時，還可以把它賣掉。我唯一遺憾的是我所從事的事業沒有完成。你要告訴孩子們，我是為什麼而死的。”敵人一看夫妻二人的談話完全不是他們想要的，就不準張永興再說下去了。這時敵人又殘忍地在走廊裏用皮鞭子狠狠地抽打著他唯一的，當時隻有3歲多的小兒子張誌成，小男孩兒被打得嚎啕大哭。孩子的慘叫聲聲聲抽打著他的心，張永興麵色蒼白，心如刀絞，緊緊地閉上了眼睛……敵人軟硬兼施的伎倆，始終未能動搖張永興的堅定信念。
1937年的1月5日，一群日本憲兵押解著張永興、張克興等8名抗日情報戰士上了卡車，槍殺在了齊齊哈爾的郊外。
那天，寒風呼嘯，大雪紛飛。烈士的鮮血染紅了大地。那一年，張永興41歲，他的弟弟張克興年僅26歲。1988年7月7日，齊齊哈爾市人民政府會同黑龍江省國家安全廳及北京市有關部門，為在世界反法西斯戰爭中英勇犧牲的張永興、張克興兄弟重新修建了紀念碑，並舉行了隆重的銅像揭幕儀式。人民稱他們為“情報雙星”，有學者甚至稱張永興為“中國的佐爾格”。