את גופות הנרצחים העבירו "פלוגות מיוחדות" (זונדרקומנדו) למקום שבו הותקנו רשתות מיוחדות. על הרשתות הונחו עצים ספוגים בדלק, ביניהם הונחו שכבות של גופות. לאחר ששפכו דלק על ערימות הגופות והעצים, הוצתו העצים. בערה זו נמשכה לעיתים יממות שלמות, וגרמה לכך שמעל האזור כולו התאבך אפר ונישא ריח שריפת הגופות.
במקביל לפעולת ההשמדה עסקה קבוצה של כ-50 אסירים יהודים בניקוי הקרונות שברציף מגוויות המתים בדרך, מהחפצים ומהלכלוך שנערמו בפנים. לאחר הניקוי הוצאה הרכבת משטח המחנה, כדי לאפשר ל-20 קרונות אחרים עמוסי אדם, שחיכו בתחנה, להיכנס למחנה.
במקביל הופעלה קבוצת אסירים אחרת, גם היא בת 50 איש, בהוצאת החפצים והבגדים שהשאירו אחריהם הנרצחים בצריף שבו התפשטו, ב"מגרש המשלוחים", והעבירה אותם ל"מגרש המיון", שבו עסקה קבוצת אסירים בת כ-100 איש, בחיפוש כסף ודברי ערך שהוטמנו ונותרו במטענים ובבגדים, בהסרת הטלאי הצהוב מבגדי הנרצחים וכן סימני זיהוי אחרים (כגון תעודות הזהות ודרכונים).
דברי לבוש, נעליים וחפצים אחרים של המושמדים מוינו, תוקנו ונשלחו לגרמניה. בתקופה שמ-2 ועד 21 בספטמבר 1942 לבדה, נשלחו מטרבלינקה 203 קרונות-משא טעונים דברי-לבוש. בערך כל שבועיים נשלחו לגרמניה משאיות טעונות יהלומים, זהב, שעונים, מטבע חוץ ודברי ערך אחרים, שערכם רב מאוד. הנאצים אף שלחו בארגזים את שיני הזהב של המומתים ואת שערן הגזוז של הנשים.
המחתרת והמרידות במחנה.
למרות אמצעי ההטעיה של הנאצים ולמרות האימה שהוטלה על המובאים למחנה, אירעו מקרי התנגדות פעילה במחנה. מחודש ספטמבר 1942 ואילך, כאשר בין היהודים שנותרו בגטאות הלכו והתרבו השמועות על השמדה המונית, אירעו יותר ויותר מקרים של בריחה מרכבות הגירוש.
ב-10 בספטמבר 1942 דקר למוות אחד מעובדי-הכפייה במחנה, מאיר ברלינר, שגורש עם משפחתו מגטו קיילצה שלושה שבועות קודם לכן, את איש האס אס מאקס ביאלה . ברלינר הוכה למוות בקת רובה בו במקום, ואחריו הוצאו להורג כ-150 אסירים יהודים נוספים. מקרה זה הגביר את חששות ההנהלה הנאצית של המחנה ממעשי התקוממות נואשים. הריגתו של ביאלה הייתה פעולת יחיד של ברלינר, והוא ביצע אותה ללא עוזרים ובלי ששיתף אחרים בכוונותיו ובתוכניותיו. המעשה תוכנן מראש ולצורך זה הוא החזיק בהסתר את הסכין שנועדה למטרה זו. זהו אחד המקרים היחידים מסוגו במחנה טרבלינקה שכן המרד בטרבלינקה בקיץ 1943 היווה פעילות משותפת ומתוכננת מבעוד מועד.
יהודים אחדים כגון מרטין גריי הצליחו להימלט מן המחנה בחודשים הראשונים באמצעות רכבות שהכילו את רכוש הנרצחים ונסעו מערבה.
ב-20 באוקטובר 1942 הצליח האסיר יעקובוביץ' לעבור את גדר התיל ולהגיע לוורשה. כתגובה על כל מעשה בריחה הוציאו הנאצים להורג עשרות אסירים.
במשלוח שהגיע מגטו גרודנו ונשלח להשמדה באחד מלילות ינואר 1943, סירבו כמה צעירים להתפשט ולהיכנס ל"מקלחות המוות". במקום פרצה מהומה ויהודים רבים התקוממו וניסו להימלט.
אחד היהודים אף הטיל רימון יד לעבר השומרים האוקראינים. מיד נפתחה על יהודי המשלוח אש קטלנית מכל הכיוונים. בבוקר התגלו עשרות רבות של גופות שרועות בשלג, ושאר היהודים במשלוח נהדפו בבגדיהם לתאי הגזים.
המרד הגדול בטרבלינקה.
באוקטובר 1942 ובינואר 1943 הצליחו אהרן גלברד ומשה רפפורט להימלט מטרבלינקה ולחזור לגטו צ'נסטוחובה הקטן. הם סיפרו על מצבו ותפקידו של מחנה טרבלינקה, והתנאים של מעט האסירים המוחזקים בו לצורך תפעול תהליך ההמתה. כמו כן מסרו על קיומה של מחתרת בטרבלינקה, בראשות משה יהושע לובלינג, שב-1941 הנהיג את שביתת הרעב של הפועלים בגטו. במאי 1943, דרך 'רכבת הבגדים' נוספת, הועבר מכתב מוצפן בצורה שירית, ממשה לובלינג אל בנו שנותר בגטו. במכתב תועד התכנון לקראת מרד, וכמה ממנהיגי גטו צ'נסטחובה קראו מכתב זה. משה לובלינג הודיע שרצונו להקריב את נפשו על מזבח המרד, ואינו מתכנן להציל את חיי עצמו.
המחתרת בטרבלינקה תכננה מרד כללי. התאריך לפריצתו נקבע תחילה למאי 1943, אך נדחה, כשהתברר שרימונים שהושגו לצורך המרד היו ללא נפצים, והיה בידי המחתרת רובה אחד בלבד. תאריך נוסף נקבע ל-12 ביולי אותה שנה, אך המרד נדחה. יש עדויות שהמרד היה מתואם עם מרד בגטו צנסטוחובה הקטן (שנותר לאחר חיסול הגטו המרכזי בסוכות אותה שנה). ימים אחדים לאחר מכן, כנראה עקב הלשנה או עינויים, הוצאו חלק ממפקדי המחתרת להורג. בד בבד, באותה עת נרצחו אנשי היודנראט הנותרים בגטו צנסטוחובה הקטן ומשפחותיהם.יעקב ויארניק היה המתכנן של בניית המחנה והבנאי בפועל של המחנה הפנימי וכך השיג קשר בין שתי חלקי המחנה ועל ידי המידע של מפת המחנה המדויקת הצליחו המורדים לדעת כל פרטי.
ב-2 באוגוסט 1943 (א' באב ה'תש"ג) בוצע המרד המזוין של האסירים בטרבלינקה, אשר תוכנן זמן רב מראש. האסירים המעטים שהושארו בחיים לצורך תפעול תהליך ההמתה, שרובם היו מועסקים ב"פלוגות המיוחדות" לטיפול בבגדים ובשיני הזהב של המומתים, ובעבודות אחרות במחנה, הצליחו לאחר עיכוב ממושך לשחזר את המפתח למאגר הנשק של המחנה, ולחדור אליו, תוך ניצול חופש התנועה המוגבל שניתן להם לצורך מילוי תפקידם.
באותו הזמן המחתרת המורדת כללה אסירים משני חלקי המחנה - המחנה הראשי ו"אזור ההשמדה". בראש המחתרת מ"אזור ההשמדה" עמדו זֶ'לומיר (זֶ'לו) בלוך , שהיה קצין יהודי בצבא צ'כוסלובקיה, משה לובלינג, וצבי ליבקינד, הקאפו של "בית החולים". למעשה, בראש תכנון המרד עמד ד"ר יוליאן חורונז'יצקי , אך זה התאבד שלושה חודשים לפני המרד, על מנת לשמור את סוד התוכנית, כאשר מלשינים גילו יהודים אחדים שברשותם כסף למימון המרד ולשיחוד חלק מהשומרים. כסף זה נלקח מבגדי היהודים המומתים ונועד להישלח לגרמניה, כשאר רכושם של הקורבנות. בסוד המרד היה גם "זקן היהודים" - שוטר יהודי שתחילה התאכזר לאחיו היהודים, אך הצטרף למורדים.
המרד אורגן ותואם תוך מידור משתתפיו, ובכל אחת מיחידות העבודה היו מספר יודעי סוד. בעת פרוץ המרד נראה שהיו כ-60 "מפקדי אזור" מתוך כ-1500 אסירים שהשתתפו במרד, אשר לכל אחד מהם תפקיד. המורדים הוציאו ממחסן הנשק כמה עשרות רובים, תחמושת ורימוני יד.
מטרת המתקוממים הייתה הריסת מתקני ההשמדה במחנה ונקמה לגרמניה הנאצית על מעשיה. ישנן עדויות לכך שבנוסף, הייתה תוכנית להתחבר גם עם האסירים הפולנים במחנה הגדול של טרבלינקה, ולהקים יחידת פרטיזנים שתמשיך במלחמתה נגד הגרמנים. יש המשערים שהנהגת המרד, שרובה גברים מבוגרים ובעלי משפחה לשעבר, רצתה גם להציל את הצעירים.
המרד תוכנן לשני שלבים. שלב גנבת הנשק והפצתו, תוך ניתוק החשמל והתקשורת במחנה, ולאחר מכן בשעה 16:30 אחר הצהריים, פתיחת ההתקפה על השומרים הגרמנים והאוקראינים, לקול נפץ רימונים.
בסביבות שתיים בצהריים, בעקבות הלשנה, נתפסו שני יהודים בצריפי המגורים. איש האס. אס. קיטנר גילה שיש בכליהם כסף והחל להכותם. החשש שיעונו ויגלו את התוכנית הוביל אותם לירי בקיטנר, שלא נהרג והצליח להימלט.
מיד אחר כך פרץ המרד במלוא עוזו, כשעתיים לפני המועד המתוכנן.
המורדים ניתקו את קווי הטלפון עוד בצהרי אותו יום גורלי, אך לא הצליחו לנתק את החשמל, שגרם למותם של רבים שניסו להימלט דרך הגדר החשמלית, מאוחר יותר. אחד האסירים ריסס מבנים רבים במחנה בבנזין. המורדים הציתו את תאי הגזים ומבנים אחרים, כולל מחסן הנשק שהתפוצץ על תוכנו, וכן מגדל הדלק, שבער בעוצמה רבה. במעט הנשק שהצליחו לגייס התקיפו את הגרמנים והאוקראינים. המורדים הרגו כמה מאנשי הסגל, תפסו מהשומרים ההרוגים נשק נוסף, וניסו לברוח מן המחנה תוך כדי חילופי ירי.
המחנה, שפרט לתאי הגזים, היה רובו בנוי עץ, נשרף בעת המרד. רוב המורדים נהרגו.
כ-200 אסירים הצליחו לברוח מטרבלינקה הבוערת. ממספר זה שרדו עם כניסת הצבא האדום לאזור, רק 70 אסירים - היתר נהרגו מיריות השומרים ותושבים פולנים בסביבה.
חלק מן האסירים המורדים שנותרו במחנה הוצאו להורג, וחלקם הועסקו בפירוק המבנים והגדרות של המחנה ובטשטוש עקבות פשעי הגרמנים שנעשו באתר. לאחר סיום עבודתם נורו כולם. שטח המחנה נחרש, נזרע וניטעו בו עצים, הוקמה במקום חווה חקלאית ויושבו בה איכרים אוקראינים, על-מנת להסתיר את ההשמדה.
לאחר מלחמת העולם השנייה.
העמדה לדין וענישה של הסגל הנאצי.
המשפט הראשון לאנשי הסגל הנאצי במחנה נפתח ב-12 באוקטובר והסתיים ב-24 באוגוסט 1965. במשפט זה הובאו לדין עשרה אנשי אס אס, בראשם סגן מפקד המחנה קורט פרנץ. ארבעה נאשמים נידונו למאסר עולם, חמישה נידונו למאסר שבין 3–12 שנים ואחד זוכה.
משפט טרבלינקה השני, שבו הועמד לדין מפקד המחנה פרנץ שטנגל שנתפס בברזיל והוסגר לגרמניה, נערך בין 13 במאי ל-22 בדצמבר 1970. שטנגל נידון למאסר עולם. מפקד המחנה בקיץ 1942, אירמפריד אברל, התאבד לפני תחילת משפטו.
במשפט אייכמן שנערך בירושלים בשנים 1960–1962 העידו אליהו רוזנברג (נפטר ב-2010) ואברהם לינדווסר (נפטר ב-1975) על רצח ההמונים במחנה. שניהם היו עובדי כפייה באזור ההשמדה.
משפט מפורסם הקשור למחנה נערך בישראל לג'ון דמיאניוק, שהואשם כי היה שומר במחנה שנודע כאיוואן האיום. דמיאניוק הורשע במשפט, אולם זוכה מחמת הספק בערעור לבית המשפט העליון. במהלך המשפט המתוקשר נגבו עדויות מניצולי מחנה ההשמדה, וסיפוריהם על זוועות המחנה קיבלו הד רב.