С наступлением вечера 28 ноября, при попытке поджечь сарай С. А. Свиридова (одного из назначенных немцами стражников) Зоя была замечена хозяином. Вызванные последним квартировавшие немцы схватили девушку (около 7 часов вечера). Свиридов за это был награждён бутылкой водки (впоследствии приговорён судом к расстрелу). На допросе она назвалась Таней и не сказала ничего определённого. Раздев догола, её пороли ремнями, затем приставленный к ней часовой на протяжении 4 часов водил её босой, в одном белье, по улице на морозе. К истязаниям над Зоей пытались присоединиться также местные жительницы Солина и Смирнова (погорелица), бросившие в Зою котелок с помоями (Солина и Смирнова впоследствии были приговорены к расстрелу).
В 10:30 следующего утра, Зою вывели на улицу, где уже была сооружена висельная петля; на грудь ей повесили табличку с надписью «Поджигатель». Когда Зою подвели к виселице, Смирнова ударила её по ногам палкой, крикнув: «Кому ты навредила? Мой дом сожгла, а немцам ничего не сделала…».
Саму казнь одна из свидетельниц описывает следующим образом:
До самой виселицы вели её под руки. Шла ровно, с поднятой головой, молча, гордо. Довели до виселицы. Вокруг виселицы было много немцев и гражданских. Подвели к виселице, скомандовали расширить круг вокруг виселицы и стали её фотографировать… При ней была сумка с бутылками. Она крикнула: «Граждане! Вы не стойте, не смотрите, а надо помогать воевать! Эта моя смерть — это моё достижение». После этого один офицер замахнулся, а другие закричали на неё. Затем она сказала: «Товарищи, победа будет за нами. Немецкие солдаты, пока не поздно, сдавайтесь в плен». Офицер злобно заорал: «Русь!» «Советский Союз непобедим и не будет побеждён», — все это она говорила в момент, когда её фотографировали… Потом подставили ящик. Она без всякой команды стала сама на ящик. Подошёл немец и стал надевать петлю. Она в это время крикнула: «Сколько нас не вешайте, всех не перевешаете, нас 170 миллионов. Но за меня вам наши товарищи отомстят». Это она сказала уже с петлёй на шее. Она хотела ещё что-то сказать, но в этот момент ящик убрали из-под ног, и она повисла. Она взялась за верёвку рукой, но немец ударил её по рукам. После этого все разошлись.
Тело Зои провисело на виселице около месяца, неоднократно подвергаясь надругательствам со стороны проходивших через деревню немецких солдат. Под Новый 1942 год пьяные немцы сорвали с повешенной одежду и в очередной раз надругались над телом, исколов его ножами и отрезав грудь. На следующий день немцы отдали распоряжение убрать виселицу и тело было похоронено местными жителями за околицей деревни.
Впоследствии Зоя была перезахоронена на Новодевичьем кладбище в Москве.