כתוצאה מהסכנה היומיומית על חייהם החלה מארי אנטואנט לשלוח מכתבים לבני משפחתה שקשרי הנישואים שרקמה מריה תרזה הביאו אותם מאוסטריה לחצרות המלוכה בכל רחבי אירופה, ולגורמים בינלאומיים נוספים, שייחלצו לעזרתם ויסייעו להם לצאת מצרפת. בתכתובת עניפה היא לא רק ניסתה לארגן את בריחתם, אלא אף סיפקה פרטי מידע מודיעיניים על מהלכי הצבא הצרפתי אשר ניהל באותם הימים מלחמה מול אוסטריה, שכן היא ידעה כי אם אוסטריה תנצח במלחמה מול צרפת, המהפכנים של צרפת ייאלצו להניח למשפחה המלכותית לחזור לשלטון, בעוד ניצחון של צרפת על אוסטריה יביא לנפילתה שלה ושל משפחתה כמו גם לנפילת המלכות של אוסטריה – אחיה.
הצעות חוזרות ונשנות על אפשרויות בריחה מהארמון הועברו למשפחה: הוצע שהמלך ימלט עם יורש העצר לאנגליה, ולמארי אנטואנט הוצע להימלט לבדה, ללא בעלה וילדיה, שכן ההכפשות הקשות ביותר וסכנת החיים המיידית הייתה בעיקר עבורה. אולם המלכה חזרה ואמרה באוזניי מאדאם דה לאמבל שהיא לעולם לא תעזוב לבדה "אין לי כל משאלה לעצמי. חיי או מותי יהיו בחיק משפחתי ובעלי. איתם בלבד אחיה או אמות". במסמכי הזיכרונות של הקרובים למשפחת המלוכה שהתפרסמו לאחר המאורעות נאמר על כך כי: אם הייתה אישה על פני האדמות שעבורה מעשה זה היה מוצדק על רקע ההתרחשויות הקיימות, הייתה זו מארי אנטואנט. אולם לא היה ניתן לשכנע אותה לברוח לבדה, היא הייתה מעל לאנוכיותה ורווחתה האישית, על אף שאת חבריה וקרוביה היא עודדה לברוח עוד בימים הראשונים של המהפכה, היא עצמה לא חשבה לעשות זאת ללא בעלה וילדיה
ב-1791 תכננה מארי אנטואנט בסיועו של הרוזן פרסן את ניסיון הבריחה של המשפחה המלכותית מפריז. הרוזן פרסן עשה מאמצים רבים להציל את משפחת המלוכה ובסופו של דבר עלה בידו לארגן בעבורם בריחה באישון הלילה אל גבול אוסטריה. הבריחה מהארמון התנהלה כשורה, ומשפחת המלוכה הצליחה לעבור כברת דרך ארוכה, כמעט עד לגבול, אולם במונטמדי (Montmédy) זיהה אותם אחראי דואר חד עין, הם נעצרו בעיר וארן והוחזרו בבושת פנים לפריז. כתוצאה מניסיון הבריחה הוחלט כי הם יעבירו את מקום כליאתם מארמון טולירי למצודת טמפל, שם הם הוחזקו כאסירים תחת משמר כבד.
חייהם של לואי ה-16 ומארי אנטואנט היו בסכנה גם ללא ניסיון הבריחה; אולם יש הטוענים כי מנוסתם זירזה את הוצאתם להורג. נוכחותם של המלך והמלכה הייתה תזכורת מתמדת לאפשרות כי הם ישובו לשלטון, והמלוכנים, אשר התנגדו למהפכנים, קיוו להחזיר את גלגל המהפכה לאחור ולהשיב את השלטון הישן על כנו. עד שלא הוציאו אותם להורג האפשרות להחזירם לשלטון איימה על המהפכנים.
ההוצאה להורג.
הרוזן פרסן ניסה לעזור בשנית. הוא ביקש מדוכס ברונסוויק, מפקד הכוחות הפרוסים בארצות השפלה, שיודיע שאם ייפגעו המלך והמלכה, תיהרס פריז. אולם איגרת זו, הנקראת איגרת ברונסוויק, החריפה את המצב. היא הדגישה כי יש ברית בין המלך והמלכה לבין צבאות האויב.
פריז המשיכה לסעור. רצח חפים מפשע ברחובות הפך לדבר שבשיגרה. במהלך שלושה ימים רצופים בחודש ספטמבר לבדו, נערך טבח המוני ברחובות. 14 אלף איש נרצחו על ידי המונים ובהם גם מאדאם דה-למבל, שחזרה לפריז להיות עם המלכה בשעתה הקשה. עם הגעתה לפריז היא נתפסה והועברה לשלטונות לצורך משפט על שיתוף הפעולה בינה לבין משפחת המלוכה. היא התבקשה לגנות ולקלל את המשפחה המלכותית במהלך המשפט, ומשסירבה לעשות זאת, הוצאה מאולם המשפט, אלא שבמקום להוביל אותה בחזרה לכלא, היא נדחפה אל דלתות האולם אשר נפתחו אל הרחוב ואל ההמון הזועם שהקיף את אולם המשפט, שהיה משולהב מהמחשבה על רציחתה של חברתה של מארי אנטואנט. מאדאם למבל נרצחה במקום, איבריה נכרתו וההמון המשתולל נעץ את ראשה הכרות על מוט גבוה וצעד ברחובות העיר להציג את הניצחון. במהלך תהלוכת האימים הגיעו הצועדים אל חלון כלאה של מארי אנטואנט וקראו אליה שתגש אל החלון ותראה את ראש חברתה המתה במו עיניה. ההמון צעק אליה שתצא אל החלון לנשק את שפתי חברתה הלסבית (בהתאם לשמועות כי מארי אנטואנט מנהלת יחסים לסביים עם חברותיה), אולם לואי ה-16 ומלוויה של המלכה לא איפשרו לה להתקרב לחלון.
צבאות מדינות אירופה איימו על צרפת אולם האיום המיידי הוסר כאשר בקרב ואלמי הביסו הכוחות הצרפתים את כוחות האויב האוסטרים והפרוסים. ההצלה למשפחת המלוכה לא הגיעה. על אף שלא היו עדויות לבגידת המלך או המלכה, וחליפת המכתבים בין מארי אנטואנט לאוסטרים לא נודעה, החליטו המהפכנים לשפוט את לואי ה-16 בגין בגידה בצרפת, כאשר גזר הדין הוחלט מראש כי יהיה הוצאתו להורג. רובספייר, ממובילי המהפכה הצרפתית ויוצרי שלטון הטרור, אמר כי הוצאתו להורג של המלך הכרחית למהפכה, על מנת למנוע את שובו לכס המלכות ולהבטיח את הצלחתה של החירות הצרפתית. לואי ה-16 הוצא להורג ב־21 בינואר 1793.
לאחר הוצאתו להורג של בעלה נשארה מארי אנטואנט בכלאה שבמצודת טמפל עם בתה, בנה הקטן ואחות בעלה, מאדאם אליזבת. שלושתם ניסו להמשיך לשמר את חייהם כרגיל. עם זאת, כאשר לואי ה-16 הוצא להורג, האיום הבא על המהפכנים היה המלך החדש. אף על פי שלא הומלך מעולם, בנה הקטן של מארי אנטואנט, לואי שארל בן ה-8, היה יורש העצר. על כן, החליטו המהפכנים כי יש להפריד בין יורש העצר למשפחתו ול"חנכו מחדש" לא כמלך לעתיד, אלא כאזרח מהשורה. הם הגיעו ב-3 ביולי 1793 והודיעו כי הם לוקחים איתם את לואי שארל. מארי אנטואנט לא הסכימה לתת את בנה אפילו לאחר שהם איימו להורגה, אולם רק לאחר שאיימו להרוג את בתה הצעירה היא שחררה את לואי שארל, שעתיים לאחר שנכנסו הנציגים לראשונה לתא. המשפחה לא הורשתה לראות עוד את לואי שארל. והילד בן ה-8 לא זכה עוד לראות את אמו ואת אחותו. מארי אנטואנט נהגה לעמוד ליד חלונה שעות, רק על מנת להצליח לשמוע את הדי קולו כאשר יצא לחצר הכלא ושר שירים אשר לימדו אותו השומרים, בגנות המלך והמלכה ובזכות המהפכה.
כשנרצח המנהיג המהפכני ז'אן-פול מארה, דרש ההמון הזועם נקמה, והוצאתה להורג של המלכה נחשבה לצעד הבא בחיסול השלטון המלוכני בצרפת. מארי אנטואנט הועברה לקונסיירז'רי, הכלא שממנו נשלחו הנידונים אל מותם, אך עדיין לא נערך משפטה. בתקופה זו היא הושמה בחדר צר, כאשר משמרות המהפכה שמרו על חדרה יום ולילה. החדר היה פתוח לקהל, אשר שילם כסף לבוא ולצפות ב"מלכה האחרונה של צרפת", כשעשוע דומה לזה של צפייה בבעלי חיים בגן חיות. התעללות המהפכנים במארי אנטואנט והמצוקה בגין הדאגה לילדיה הובילו לשינוי דרמטי במראה של המלכה. תיאורים רבים בתקופת המהפכה המתארים בכתב ובציור את פניה הקמוטים ושערה שהלבין כמעט בין לילה בימיה האחרונים מעידים על זאת וכן התיעוד על תסמונת מארי אנטואנט, תסמונת המעידה על מצב חרדה ומצוקה כה גדולים הגורמים לשערו של אדם להלבין במהירות .
מארי אנטואנט שהתה בתאה בכלא במשך 76 יום. בסופם נערך משפט בן יומיים שבו הוחלט על הוצאתה להורג. המשפט נועד להרשיע את המלכה ולהביא להוצאתה להורג. לשם כך הוצגו אישומים המתבססים על השמועות והרכילויות שפשטו בצרפת לאורך השנים, על התנהגותה הבלתי מוסרית והקלוקלת, פזרנותה, יחסיה המיניים הלא הולמים וראוותנותה. ההוכחות והעדויות היו קטעי העיתונות המחתרתית והקריקטורות שקדמו למהפכה הצרפתית, ואלה הפכו לכתב האישום.
כמו כן, ניסו התובעים לטעון כי מארי אנטואנט לוקה בפריצות מינית כה איומה, עד כי קיימה יחסי מין עם בנה בן ה-8. על מנת לעשות זאת, הם הביאו את עדותו של לואי שארל, שכחלק מחינוכו מחדש על ידי המהפכנים היה להסיתו כנגד משפחתו, אם בסיפורים, אם בצעקות ואם במכות, עד כי הילד הסכים לטעון כל מה שרצו שיטען. אשמה זו הייתה כה מופרכת, עד כי הצגתה הביאה לראשונה את אהדת הקהל למלכה. תגובתה להאשמות הביעה יותר מכל עד כמה החשיבה מארי אנטואנט את דעת העם הצרפתי על פני דעתם של מקבלי ההחלטות: היא הסתובבה לקהל שליווה את המשפט והיה נוכח בדיונים, ופנתה במיוחד לאמהות בקהל ואמרה כי "הטבע עצמו לא עונה להאשמה כה בלתי מתקבלת על הדעת". הטענה, כי האשמה זו מנוגדת לטבע האימהי, גרמה להבנה כי מטרת המהפכנים היא להרוג את המלכה וכי הם אינם בוחלים בדבר על מנת להביא לתוצאה זו. התנהגותה של מארי אנטואנט ותשובותיה שבו את לבם של הנוכחים במשפט, שקראו להפסיק את ההליך ולשחררה, אך ללא הועיל. מארי אנטואנט נשפטה והורשעה בבגידה.
גזר הדין היה ידוע מראש והוא ניתן לאחר הליך משפטי בן יומיים בלבד, בשעות הבוקר, על מנת שההוצאה להורג תתבצע עוד באותו יום. ההוצאה להורג התרחשה ב-16 באוקטובר 1793 בשעה 16:00, בגיליוטינה, לשמחתם של המוני הצופים, וראשה הכרות הוצג בפני הקהל הצוהל. מארי השאירה מכתב מוכתם בדמעותיה, אותו הפנתה לגיסתה, מאדאם אליזבת, דודתם של ילדיה היחידה שנותרה מבני משפחת המלוכה בצרפת ושהתה עימם במהלך כלאתם בארמון טווילירי ובמצודת הטמפל, אך גם היא נשפטה והוצאה להורג זמן לא רב לאחר מכן. המכתב האחרון של מארי אנטואנט לא הגיע ליעדו מעולם ונשאר בידי המהפכנים. אולם שנים לאחר מכן הגיעו מילותיה האחרונות של מארי אנטואנט לידי בתה, מארי תרז שרלוט, היחידה ממשפחת המלוכה ששרדה את המאסר בארמון טוילירי וכיום הן חרוטות בקפלת אקספיואטורי בפריז .