Si son sort n’avait pas été scellé d’avance, la découverte de sa correspondance avec ses frères émigrés l’aurait condamnée.
La nuit qui précéda son exécution, Madame Elisabeth passa son temps à réconforter avec douceur ceux qui partiraient avec elle. Elle consolait en rappelant qu’on n’exigeait pas d’eux d’abjurer leur foi, comme d’autres martyrs, mais simplement de quitter la vie terrestre.
A peine son arrêt de mort prononcé, la sœur du roi monta dans la première charrette de la fournée des vingt-quatre autres personnes, parmi lesquelles Louis-Marie-Athanase de Loménie de Brienne, secrétaire d'État à la Guerre et frère de l’ancien ministre, et fut amenée sur la place de la Révolution. Condamnée en tant qu’« âme » d’un complot contre la Nation elle dut attendre que le supplice de tous ses compagnons se terminât pour monter la dernière à l’échafaud. Elle y monta d’un pas très lent. D’après le témoignage de Sanson, au moment où elle se présenta devant la bascule, un des aides bourreau lui retira le fichu qui couvrait ses épaules ; elle aurait alors dit pudiquement :« Monsieur, au nom de votre mère, couvrez moi... » Sa dignité impressionna tellement l’assistance que le Comité de salut public, gêné, interdit tout commentaire dans les journaux.
A cause de ses habits et de la place qu'il occupait au sommet de la charrette, les fossoyeurs reconnurent son corps. Il fut le premier, ou l’un des premiers, à être déposé au bord de la fosse avant d’être dévêtu et jeté dans le trou.