به خاطر شکنجهها و از شدت زخمی که بر تن داشت دو سرباز کشانکشان او را تا پای جوخهی اعدام بردند، 37ساله بود، برای آخرین بار فرياد زد «بسم الله الرحمن الرحيم؛ پاينده ايران، زنده باد دکتر مصدق» … و بعد صدای رگبار گلوله و خونی که بر زمین ریخت.
مصدق بعد از مرگ دکتر فاطمی گفت: «اگر ملی شدن نفت خدمت بزرگی است از آن کسی که اول این پیشنهاد را نمود باید سپاسگزاری کرد و آن کس شهید راه وطن دکتر حسین فاطمی است. در تمام مدت همکاری با این جانب حتا یک ترک اولی هم از آن بزرگوار دیده نشد.»
فاطمی در سال ۱۳۳۰ در سن ۳۳ سالگی در دولت ملی دکتر مصدق به مقام وزارت امور خارجه ایران رسید و حدود پانزده ماه پس از کودتای 28 مرداد، خروسخوان 19 آبان سال 1333 تیرباران شد.