同年7月5日，吉鸿昌在沽源附近大柳树村召集同盟军前线主要将领开会，决定分三路进攻日伪军重兵把守的多伦。7日，吉鸿昌指挥各路向多伦进军，节节胜利。10日，包围了多伦。可是多伦城池坚固，敌人火力猛烈，进攻受阻。吉鸿昌亲率敢死队，勇猛登城三次，均未成功。12日吉鸿昌暗遣副官刘亨香、马国栋率精兵四十余人，乔装潜入城内。入夜，吉鸿昌指挥全线猛攻，并袒臂冲锋在前，同盟军里应外合，经三小时激战，攻克多伦。
在党的领导下，吉鸿昌再度广泛联络抗日反蒋的力量，为重建抗日武装而奔走。5月，在天津组织“中国人民反法西斯大同盟”。担任党组织领导成员。他的住宅——天津法租界霞飞路四十号，成为党组织的地下联络站，还设有秘密印刷所。大同盟机关刊物《民族战旗》就是在这里印出的。同志们称他的住处为“红楼”。以后，这里被特务发现，他又在国民饭店开了房间，做为联络点。
1934年11月9日晚，吉鸿昌在国民饭店以打牌为掩护，同广西李宗仁派来的代表秘密会谈，突然遭到国民党特务的枪击，吉鸿昌胳臂受伤，当即被法租界工部局逮捕，随后引渡到国民党天津市警察局，关进陆军监狱。
党组织多方营救吉鸿昌，他的部队准备在吉鸿昌押往北平的途中劫车。吉鸿昌得知后要求停止劫车行动，认为这种冒险行为只会带来更大的损失。11月22日，吉鸿昌被秘密押解北平。
北平军分会委员长仍然是亲日派头子何应钦。吉鸿昌刚下火车，就有军分会的一个名叫祝士勒的上校军官，拿了一份写有“立即处决”字句的电报递给他看。吉鸿昌看过电报，不动声色，若无其事地说：“你们想给我一个下马威吗？赶快收回去吧，我不是三岁的小孩子！有没有这份电报，对我说来都一样！”吉鸿昌又对他们说：“你们要动手就请快些，也好弄几个赏钱花花！”敌人讨了没趣，随将他关进东直门内炮局胡同陆军监狱。
第二天，何应钦就迫不及待地亲自组织对吉鸿昌的“军法会审”。这是一场亲日派反对抗日派的最卑鄙无耻的审判。
经受过酷刑的吉鸿昌被押解到法庭上，神情镇定地屹立在被告席上。尽管肩膀上刚刚受过伤，连续遭受酷刑的折磨，但他仍现出凛然不可侵犯的威严。
审判官看看面前摊开的卷宗，望了吉鸿昌一眼，随即色厉内茌地大声喊道：
“吉鸿昌，你为什么进行抗日活动？快招出你们的秘密来！”
挺身站着的吉鸿昌不假思索，马上高声回答：“抗日是为了救国，这是四万万人民的事情，是最光明磊落的事情，有什么秘密？抗日救国是中国人民人人应知，人人能知的事情，哪里会有秘密？只有蒋介石和你们这班狗奴才，祸国殃民，残内媚外，和日本暗中勾结，干些不明不白的勾当，这才有秘密，才见不得人。”
他把敌人骂得低下头去，随即乘胜追击，在敌人的法庭上侃侃而谈，畅述中国共产党的抗日主张，他的抗日决心，他在察北亲率民众抗日同盟军杀敌的经过。吉鸿昌说到兴奋处，不禁慷慨流涕，听者都很感动。他还解开上衣，露出身上的刀伤弹痕和遍体鞭伤：这里的枪伤，还留着多伦城下日本强盗的子弹；这一块块刀疤，是被国民党军队在长城外勾结日军包围打击同盟军留下的；这一道道鞭痕，正是国民党反动派在监狱中对他舍死求生，不分昼夜地奔走呼号、宣传抗日的报偿！吉鸿昌指着胸脯上的伤疤告诉敌人：“看！这就是我仅有的一点‘秘密’，是你们军队勾结日本鬼子给我留下的‘纪念’！”
审判官被他弄得张口结舌，半天讲不出话来，突然老羞成怒地厉声问道：“不要拿抗日来掩饰你的罪过。你抗日就抗日好了，为什么要反蒋？作为一个军人，难道你不知道‘服从是军人的天职’吗？”
看到敌人处境尴尬，神态沮丧，吉鸿昌满心高兴，不禁发出冷笑，带着讽刺的口吻回答说：“我吉鸿昌要救国，蒋介石要卖国，我不得不为救国而讨蒋；我吉鸿昌要抗日，蒋介石迫害抗日，我不得不为抗日而讨蒋。所以我的军队就叫抗日讨蒋军，这还不是名正言顺吗？难道说，你能指出来蒋介石有一点抗日行动，或者有一点容许他人抗日的意思吗？就拿你来说吧，假如你还有一点儿中国人的味道，请你们扪心自问，也不能不反蒋吧？”
审判官又急忙改换话题问道：“那么，你是不是加入了共产党呢？你抗日好了，为什么加入这个‘危害民国’的共产党呢？看，我们这里有张慕陶证明你早已加入共产党的字据，你可不要想抵赖！”
听完敌人这段话，他的神态更加轩昂，急忙跨前一步，气呼呼地指着敌人质问：“你说，我干嘛要抵赖！你说，你说……”
审判官心慌意乱，不晓得该怎样答话。
吉鸿昌微微一笑：“看你也回答不上来！”这个时候，他显得格外威严镇定，又以雄壮而果敢的语言，滔滔不绝地讲道：
“对，我是中国共产党党员。由于党的教育，我摆脱了旧军阀的生活，转到工农劳动大众的阵营里头来。我能够加入革命的队伍，能够成为共产党的一员，能够为全人类解放事业而奋斗，这正是我毕生最大的光荣，这正是我不同于中国一般流俗军人所在。我能够毁家纾难，舍身报国，拒绝利诱，见危授命，这样来抗日救国，这正是党给我的感召，这正是党的意志。你们说我们共产党是‘危害民国’这完全是无耻的诬蔑！到底是谁‘危害民国’？试问你们干了些什么？你们七年来，掀起了无数次的内战，酿成了空前的水旱浩劫，断送了东北三省，断送了热河、察哈尔，又快要断送华北各地，你们的贪污罔法的政治，你们的残暴专横的措施，哪一样不曾‘危害民国’？我们共产党真心爱国家，为人民，在蒋介石国民党背叛革命的时候，举起革命的大旗，在中华民族解放运动中不避牺牲，不辞艰苦，正是要保护民国！”
这个时候，审判官瞠目相视，茫然失措。吉鸿昌慷慨激昂，铿锵有力的陈词完全出乎他们的预料。
吉鸿昌越说越激动，越讲越气愤。处于窘境的审判官，多次想从被动中解脱出来，始终没能得逞。敌人眼看着“犯人”竟然成了审判者，自己倒变成了被审者，理屈词穷，为了封住这张锋利的嘴巴，转而对他施加酷刑，幻想逼他屈服。但是，不管敌人加给他的非刑拷打有多么重，他都没有叫过一句苦，没喊过一声痛。当场值勤的国民党士兵都说，从来没瞧见过这样的硬汉子！
审判结束后，吉鸿昌知道自己已经濒临生命的最后时刻，但他仍然继续向难友们宣传抗日救国的大义，希望大家出狱后，能够奋起抗日杀敌。吉鸿昌说：“我就要和大家分手了，我要在死以前，把抗日的道理再和你们谈谈。”他向同狱的难友讲了抗日的道理，讲了共产党的政策，还讲了他为什么参加了共产党。直到把嗓子都说哑了，仍在不停地讲，好多人都被感动得哭了。最后他把自己贴身的金壳表取出来，让典狱长帮他卖掉，置办一些较好的饭菜，给同监的难友吃。他说：“你们一定要保重身体，出狱就可以去抗日了！”
审判官把审讯的结果向何应钦报告，正逢蒋介石令何应钦将吉鸿昌和任应歧处死的电报来到，何应钦急用朱笔在卷上批道：“立枪决”。1934年11月24日，在殉难的这天早上，吉鸿昌显得异常镇静安详。就在从容就义的前几小时，他向敌人要来笔墨和信纸，写下了一封遗书。他的笔力仍是那么苍劲。在这封遗书里，他写下了自己迂回曲折然而终于走向真理道路的一生，历述了蒋介石国民党祸国殃民的种种丑行。在他殉难之前，他曾托监刑官将这封遗书转交给夫人胡鸿霞，以便由她转送到党组织的手里。监刑官却把它递交给何应钦。何贼看毕，两手发抖，面色铁青，立时把这封正义凛然的遗书扔进火炉里去。
这天上午他还写了三封短信，分致他的夫人、兄弟和朋友。后来这几封信辗转到了吉夫人手里。信中勉励家中人要很好的团结，生活下去，指引他们继续为革命奔走。他在给吉夫人的遗书里面写道：“夫今死矣，是为时代而牺牲。人终有死，我死您也不必过于伤悲，因还有儿女待你照应。”遗书再三叮嘱让儿女们努力读书，“以成有用之材”。在致亲友的信里，他还念念不忘生前捐资创办为故乡“教育地方贫穷子弟而设”的学校，希望他们尽力支持下去。
最后的时刻到了，当日13时30分，吉鸿昌慢慢地披上斗篷，宛若平时从家里出远门似的，走出阴黯的牢房，沉静缓慢地走着，昂首仰视着布满阴霾的天空，大踏步走向陆军东场院刑场。面对敌人的屠刀，他泰然自若，毫无惧色。在刑场上他以手指作笔，以大地为纸，写下浩然正气的诗章：
恨不抗日死，
留作今日羞。
国破尚如此，
我何惜此头！
写毕，他的步子迈得更快了。同他一起就义的任应歧，忽然抢上一步对他说：“我死了倒没有什么，你死了太可惜了，国家正用着你啊！”
吉鸿昌回过头来，见任应歧满面泪痕，皱起眉头，抱怨他说：“你这是干什么？别让他们小看了咱们！”
任应歧擦了擦眼泪，走上前去，枪声响了，任应歧应声倒在地上。吉鸿昌把头一摆，朝特务招招手：“这样死可不行！告诉你们，我为抗日而死，堂堂正正，绝不能跪下挨枪，我死了也不能倒下！”接着喝令特务：“给我搬张椅子来！”
特务们不敢违拗，便把椅子搬了来。
吉鸿昌坐下后，行刑的特务绕到他的身后。吉鸿昌转过头来，把手一挥说：“这不行！我为抗日而死，一生行为光明磊落，不能在背后挨枪。”特务发起抖来，颤声问道：“那您说怎么办？”吉鸿昌厉声说：“你在我眼前开枪。我要亲眼看看你们怎样打死我！”
特务迟疑地绕到前面，躲过他的逼视，右手颤巍巍地举起手来……，在这一霎那间，吉鸿昌瞪起了两只大眼睛，高举起拳头，用尽了他最后的力气大声喊道：
“中国共产党万岁！”
“中国革命万岁！”
“打倒日本帝国主义！”
这喊声，震撼得敌人在颤抖。
共产党员、民族英雄吉鸿昌英勇就义。