9月23日，慈禧太后接到了荣禄的报告，知道维新人士竟然有过包围颐和园的打算，大怒之下立即下旨将谭嗣同、杨深秀、杨锐、林旭、刘光第等人，“均着先行革职，交步军统领衙门拿解刑部审讯”。24日清晨，九门提督翼尉带着士卒来到了浏阳会馆，谭嗣同这天一早就已起来，穿戴好了衣服和帽子在等候抓捕者的到来。他一见翼尉，立刻说：“我知道你们为什么来！”说完，便和翼尉一起乘车前往刑部牢狱。跟随翼尉来的士兵们也立即进入谭嗣同的住处，把所有的文稿笔记全部搜罗带走。谭嗣同从出生到少年，曾在北京生活了13年，其中大部分时间都随全家住在浏阳会馆。巧合的是，维新变法失败，他又是在浏阳会馆被捕，并最终在会馆附近的菜市口被杀。历史似乎在生与死之间走了一个圆圈，又回到了原点。
谭嗣同和杨锐、林旭几乎是同时被捕，刘光第闻讯，自投入狱。此前被捕入狱的还有康广仁和杨深秀。
被捕后，谭嗣同和其他五君子都被关押到了刑部监狱中，六个人分两处关押，谭嗣同、杨锐、杨深秀关在南所，刘光第、林旭、康广仁关在北所。监狱中的住宿、饮食条件都很差，而且随时有被杀的可能，所以个人的神态也就有了很大的不同。比如杨深秀在狱中是神色不变，谈笑自如，还赋诗三首，其中一首吟道：“久拼生死一毛轻，臣罪偏由积毁成。”——生死就如同一根羽毛那样微不足道，我的罪本来就是受别人诬陷而成的。“积毁”是成语“积毁销骨”的简缩，意思是一次次的诽谤积累起来，能使人的骨肉都被毁灭；还有一首则写道：“缧绁到头真不怨，未知谁复请长缨。”缧绁，是古代用来捆绑犯人的绳索；长缨，是指捕缚敌人的长绳。杨深秀在诗中表示：为变法而死，自己并不后悔，只是希望有后来者继承自己救亡图强的遗志。林旭呢，在狱中也是时时微笑，但康广仁就不同了，他是整天长吁短叹，不吃不喝，还以头撞壁，痛哭失声，喊道：“天哪！哥哥的事，要兄弟来承当！”——天哪，哥哥的事情却要弟弟来承担！林旭看到康广仁痛哭，更是笑得前俯后仰。
王五这位重江湖义气的朋友多次前来探监，上下打点，多次要救谭嗣同出狱，都被谭嗣同拒绝了。
狱中的谭嗣同气定神闲，平日在牢房中神态自若地绕着圈子散步，还经常拾起地上的煤屑在墙上写字。狱卒问他在做什么，谭嗣同就笑着回答：“作诗耳。”谭嗣同在狱中写的诗中，有一首后来流传得很广，那就是“望门投止思张俭，忍死须臾待杜根。我自横刀向天笑，去留肝胆两昆仑”。这首诗被人们称为是谭嗣同一生的绝笔诗，但是它后来却曾引起过许多争论。首先是曾经有很多人认为谭嗣同并没有写这首诗，它是别人假托谭嗣同的名而写的。直到1998年，人们在历史档案中发现了唐烜写的《留庵日钞》才确定它确实是谭嗣同所作。唐烜是谁？是谭嗣同就义时恰好在刑部任职的一位官员，他经常出入关押谭嗣同等人的牢房。谭嗣同在菜市口就义仅10多天后，唐烜就在自己的日记中抄下了这首诗，虽然唐烜记的诗和以前流传的有两个字不同，一是“怜张俭”而不是“思张俭”，二是“仰天笑”而不是“向天笑”，但诗的含意并没有多少改变，所以这首诗的真实性是没有疑问的。
长期以来，人们对诗中“去留肝胆两昆仑”的“两昆仑”指谁更是众说纷纭。有的说是指康有为和大刀王五，有的说是指康有为和梁启超，也有的说是指谭嗣同的两个仆人，因为古代有把仆人称做昆仑奴的。但后来人们基本接受了这样一种解释：诗中的“去”是指当时出走香港、日本的康有为和梁启超，他们的生存是为了承担今后变革的重任，所以如同巍峨的昆仑；诗中的“留”是指谭嗣同自己留下准备为变法而牺牲，这样的死是为了激励后人，也如同巍巍昆仑。这就是“去留两昆仑”的含意。这样解释，也和诗的第一、二句“望门投止思张俭，忍死须臾待杜根”中所引用的典故相吻合。
张俭和杜根都是东汉人。张俭是一位监察官员，当时宦官侯览专权，他家里的人也仗势欺人，残害百姓。张俭忠于职守，向皇帝写信告发侯览及其作恶的家人。但告发信没到皇帝手中就被侯览扣下了，为此就和张俭结了仇。后来，侯览指使人诬告张俭结党营私，并下令逮捕张俭，张俭只好匆匆逃亡。逃亡中要住宿啊，人们敬重张俭的品格，都不怕受牵连，冒着风险收留他。后来，人们便将在急迫情况下匆忙投宿，求得暂时的存身之处称做“望门投止”。谭嗣同在诗中用这个典故，意思是逃亡中的维新派康有为、梁启超等人一定会受到人们的救护，杜根是东汉时期的一个小官吏，性格非常耿直。当时正值邓太后专权，专横跋扈，杜根就上书邓太后，要求她把权力还给皇帝，让皇帝亲政，邓太后看了勃然大怒，令人把他装在袋子里在大殿上当场摔死。但执法官员很敬重杜根，摔的时候没有用力，然后用车子载着他出城，使杜根得到机会逃亡。逃亡中杜根在山中的小酒店当了伙计，邓太后死后，杜根恢复了官职。谭嗣同在诗中引用这个典故，是认为康有为、梁启超能像杜根一样，会在人们的帮助下顺利逃亡并东山再起。细心的读者还可以发现，杜根典故中的邓太后和慈禧太后很相像，而康有为、梁启超的命运当然就也和杜根很相似了。显然，谭嗣同这首绝笔诗的含意，和他对梁启超说过的程婴、杵臼的故事是相通的：康梁逃亡海外，以图将来；谭嗣同自己留下，以死来唤醒后人。
就在谭嗣同留下这首诗后仅仅几天，他就与其他五君子一起走上了菜市口。当人们现在回顾历史时发现，在维新变法过程中，谭嗣同至少有3次机会可以从菜市口旁边全身而退：第一次机会来自父亲。当光绪皇帝授谭嗣同四品衔军机章京时，一生处于官场之中的谭继洵对变法者的前景，谈得上是洞若观火，他曾几次去信劝儿子退出变法，以免杀身之祸，但谭嗣同没有听；第二次机会是政变后梁启超劝他一起到日本使馆避难，日本使馆人员也表示愿意安排他出走日本，这是出走的最好机会，梁启超就是在日本官员帮助下成功离开中国的，但谭嗣同谢绝了；第三次就是在大刀王五等江湖朋友的帮助下离开北京，这也是可以试一试的机会，但谭嗣同又拒绝了。于是，他走上菜市口刑场也就不可避免了。
9月28日，心存疑惧害怕再生变故的慈禧等人没有经过对谭嗣同等人审讯的法定程序，就将谭嗣同、杨锐、林旭、刘光第、康广仁、杨深秀这后来被称为“戊戌六君子”的六人推到菜市口刑场处决。谭嗣同面对刽子手的屠刀，高声说道：“有心杀贼，无力回天，死得其所，快哉快哉！”说完，从容就戮，体现了自己堪破生。死、冲决网罗的自由精神，也实践了佛学中为普度众生“我不下地狱谁下地狱”的壮烈情怀。
纵观整个戊戌变法，其实谭嗣同保全性命，全身而退的机会比谁都多。他完全可以不死，可以像康有为、梁启超那样跨海东渡到日本避难，但他决然放弃了一切生的机会，从容赴死。是怎样的一种心理在支持他以身家性命血染维新呢？当代很多专家和学者对这个问题进行了深入的探究，但是各有说法，一直没有达成一致。我们可以从以下几个方面来理解这位英雄：
其一，这与谭嗣同的“任侠”情结有关。谭嗣同好谈兵法，善于剑术，作风血性义气，敬重草莽英雄，平素喜欢结交豪侠。当时的京城名侠大刀王五和拳士胡七就是其中的两位，谭嗣同不但和他们成为了朋友，还师从两位侠士学了昆仑派的武术。如果他不参与政事，或许会如同他的两位武学师父一般，成为一个仗剑江湖的侠客。在变法失败后，梁启超避居日本使馆，日本使馆方面表示可以为谭嗣同提供“保护”，谭嗣同坚持不受并傲然宣称：“各国变法，无不从流血而成，今中国未闻有因变法而流血者，此之所以不昌者也；有之，请自嗣同始！”他的这种“仕侠”情结在很大程度上给了他从容赴死的豪气，但其视死如归的气概绝非出于江湖之勇。如果说谭嗣同走上菜市口之前还有什么牵挂，那也就是后人们是否为他的鲜血所激励了。在刑部狱中他给梁启超的绝笔书中写道：“嗣同不恨先众人而死，而恨后嗣同死者虚生也。啮血书此，告我中国臣民，同兴义举。”古人有云“侠之大者，为国为民”，谭嗣同就是如此的大侠，让人身居现在，而尚能为百年前的他所动容。
其二，这与谭嗣同儒家的“酬君”思想有关。谭嗣同自小便接受正统的儒学教育，十岁便拜当地著名学者欧阳中鹄为师，之后又深受王夫之的儒学思想所影响，继承了王夫之的儒家思想并加以发展，儒家的思想可谓深入骨髓。但谭嗣同对君主专制持反对的态度，在他的著作《仁学》中明确指出：“君主之祸，至于无可复加，非生人所能任受。”“二千年来之政，秦政也，皆大盗也。”从这点看谭嗣同决非“忧道不忧贫”沉迷于忠君的传统儒生。在维新强国方面是志同道合，可谓为知已。“士为知已者死”在深染儒学思想的谭嗣同身上便显得非常自然。9月21日慈禧发动政变，囚禁光绪皇帝，临朝“训政”，下令逮捕维新派。大势已去，梁启超劝谭嗣同一起出走日本。谭嗣同执意不肯，他对梁启超说：“不有行者，无以图将来；不有死者，无以酬圣主。”可见谭嗣同决定以死来酬谢光绪皇帝。
其三，这与谭嗣同认同佛家的“轮回”之说有关。谭嗣同虽接受佛学很晚，但佛学对他影响却很大。尽管他只想从佛学那里撷取思想养料和激活精神动力，来完善强化己身的人格。但他特别服膺佛门的坚忍、无畏、雄强刚猛精神，并以之作为立身行事的准则，为了一个既定远大的理想目标，可以舍弃一切，乃至生命。他在《仁学》中写道：“佛则曰轮回，曰死此生彼……知天堂地狱，森列于心目，必不敢欺饰放纵，将日迁善以自兢惕。知身为不死之物，虽杀之亦不死，则成仁取义，必无怛怖于其衷。……此以杀为不死，然己又断杀者，非哀其死也，哀其具有成佛之性，强夭阏之使死而又生也。是故学者当知身为不死之物，然后好生恶死之惑可怯也。”因而在变法失败后，怀着“我不入地狱，谁入地狱”的华严宗思想慷慨地走上断头台。
不管死前谭嗣同的心境如何，他的死是为国家大义而死，激励着近代中国的仁人志士为国家为民族的振兴而前仆后继。他都将成为后人仰视的伟丈夫！