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.

نام مرداد که طنین انداز می‌شود بوی کودتا می‌آید. کودتایی که شصت و هفت سال قبل رخ داد و تاریخ را به گونه‌ای دیگر نوشت. هرچند کودتای زاهدی با شکست روبه رو شد، ولی دو روز سخت بر آن‌ها گذشت.

روزنامه شرق نوشت: «فاطمی بعد از کودتای ۲۸ مرداد مخفی شد. چندباری خانه عوض کرد. مخفی‌بودن او نزدیک هفت‌ماهی به درازا کشید تا این که صبح روز ۲۲ اسفند باز هم شایعه دستگیری او دهان‌به‌دهان چرخید. همه در کنجکاوی درستی و نادرستی خبر بودند که فرمانداری نظامی اطلاعیه‌ای منتشر کرد که حکایت از تأیید دستگیری داشت: «بدین‌وسیله به اطلاع عموم می‌رسد که دکترحسین فاطمی ساعت ۹ صبح امروز به‌وسیله سرکار سروان حبیب‌الله جلیلوند، افسر اداره انتظامی شهربانی و مأمورین فرمانداری نظامی پس از تجسسات طولانی در یکی از کوچه‌باغ‌های تجریش دستگیر و تحویل فرماندار نظامی گردید.»