سحرگاه ۱۹ آبان ۱۳۳۳، دکتر فاطمی در ساختمان زرهی ارتش با حضور نعمت الله نصیری و شاپور بختیار و به ضرب سه گلوله، به شهادت رسید. قرار بر این بود که بشکل مخفیانه، پیکر وی را در مسگرآباد دفن کنند. حضور به موقع سلطنت فاطمی باعث شد که از شاه اجازه دریافت نموده و پیکر در ابن بابویه دفن شود.

سر دنیس رایت سفیر بازگشته انگلیس به تیمور بختیار چنین می‌گوید: «در نخستین فرصت مشتی به دهان فاطمی بکوب تا بداند هیبت امپراطوری انگلیس بازی کردنی نیست!»