在狱中，毛泽民遭到软硬兼施、酷刑审讯，逼迫他招认所谓中共在新疆搞“暴动”的阴谋，逼迫他脱离中国共产党并交出中国共产党在新疆的组织。毛泽民回答：“决不脱离党，共产党员有他的气节。”“我不能放弃共产主义立场！”1943年9月27日深夜，毛泽民、陈潭秋、林基路在迪化被盛世才秘密处决，享年47岁。在埋葬毛泽民等人后，同年10月，因盛世才到重庆后给迪化来电报说，军统要看尸体照片，执法队队长张思信乃奉命带人扒开坟墓，补拍照片寄往重庆。对于毛泽民、陈潭秋、林基路等人的被处决过程，中共一直不知情，外界也有种种揣测。