Tras un juicio ante tribunales militares en ausencia de tiempo, celebrado en el Teatro Iturbide (después Teatro de la República (Querétaro)) por un coronel y seis capitanes, sin derecho a apelaciones y con base en un interrogatorio que en su mayor parte el Emperador se negó a contestar, alegando que eran cuestiones meramente políticas, los revolucionarios lo condenaron a muerte. Fue ejecutado en el Cerro de las Campanas de la ciudad de Querétaro, el 19 de junio de 1867, junto con los generales conservadores Miramón y Mejía.

Las últimas palabras del Emperador fueron acerca de un reloj con el retrato de su esposa:

"Mande este recuerdo a Europa a mi muy querida mujer, si ella vive, y dígale que mis ojos se cierran con su imagen que llevaré al más allá. Lleven esto a mi madre y díganle que mi último pensamiento ha sido para ella.

El Emperador de México, segundos antes de recibir las descargas del pelotón de fusilamiento, entregó una moneda de oro a los siete soldados del pelotón. Después proclamó:

"Perdono a todos y pido a todos que me perdonen y que mi sangre, que está a punto de ser vertida, se derrame para el bien de este país; voy a morir por una causa justa, la de la independencia y libertad de México. ¡Que mi sangre selle las desgracias de mi nueva patria! ¡Viva México!

Maximiliano, que había suplicado no se le lastimase la cara, separó su rubia barba con ambas manos echándola hacia los hombros, y mostro su pecho. No sucumbió en el acto, y se advirtió, porque ya caído pronunció estas palabras: Hombre, hombre. Entonces se adelantó un soldado para dispararle el golpe de gracia, con el cual exhaló el último aliento. Así concluyó el Segundo Imperio, que por el escándalo que su creación había causado al mundo, atrajo sobre México las miradas de todas las naciones.

Los dos generales mexicanos fueron muertos después de él gritando «Viva el emperador». Carlota de Bélgica, ya en Europa, padecío un trastorno mental y permaneció confinada, primero en el Pabellón del Jardín (el Gartenhaus) del Castillo de Miramar, luego en el Castillo de Tervuren y finalmente en el Château de Bouchout, en Meise, Bélgica, donde finalmente fallecería. Ella aún creía que Maximiliano seguía en México, e incluso tenía una muñeca a la que llamaba Max