בראשית מלחמת העצמאות התגייס לארגון "ההגנה" במרחב ירושלים. כמהנדס, הוא סייע לפעולות ההגנה, ולהתקנת בורות צבירה למי גשמים בימי המצור על ירושלים. בראשית שנת 1948 מונה על ידי דוד שאלתיאל למפקד מחנה הקבע היחיד שהיה אז בירושלים, מחנה שנלר, (להוציא בסיס הגדנ"ע בשייח' באדר, שזכה לכינוי "גבעת רם"). מחנה שנלר היה לא רק מחנה צבאי, אלא גם מקום ריכוז גדול לכל מצרכי המזון שהועברו אז בשיירות מהשפלה לירושלים. בתחילת אביב 1948 הועבר טוביאנסקי ממחנה 'שנלר' לחיל האוויר, ומונה למפקד שלושת שדות התעופה של החיל, שהיו באותם ימים באזור ירושלים.
בעבודתו האזרחית בחברת החשמל, שאותה המשיך במקביל לעבודתו הצבאית בארגונים הצבאיים ההולכים ומתגבשים, התגלה כמהנדס בעל יכולות טכניות גבוהות. ב"הגנה" נחשב למפקד מעולה ולמארגן בעל יכולת, עצמאי בפיקודו.
החשד בבגידה.
בסוף יוני 1948, עם תום המצור על ירושלים, נסע טוביאנסקי לתל אביב כדי לקנות מצרכי מזון. הוא נעצר בחטף בשוק הכרמל, הובל למשרדי המודיעין בתל אביב ונחקר על ידי דוד קרון, איסר בארי, בנימין גיבלי ואברהם קדרון, שהיה אחר כך מבכירי משרד החוץ הישראלי, ועבד אז גם במודיעין. טוביאנסקי הואשם בבגידה ובמסירת ידיעות לאויב. הטענה הבלתי מבוססת הייתה כי הלגיון הפגיז באופן מכוון את המבנים של צרכני החשמל הגדולים בירושלים (מפעלי התע"ש לייצור נשק ותחמושת) לפי נתונים שקיבל מנהלה הבריטי של חברת החשמל מידידו, המהנדס טוביאנסקי. פקיד בחברת החשמל אשר התקנא בטוביאנסקי סיפר לרב־סרן בנימין ג'יבלי, קצין המודיעין של החטיבה הירושלמית, כי ראה את טוביאנסקי מעביר למנהל המשרד, לפי דרישתו, את רשימת צרכני החשמל העיקריים בירושלים. ג'יבלי התעלם מכך שהרשימה הוכנה על ידי עובדי החברה לבקשת ההנהלה הבריטית, ונמסרה למנהל המשרד, בגלוי בנוכחות צוות העובדים. הוא גם לא ניסה לברר מתי נמסרה לו אותה רשימה, שהגיעה לידיו כמה ימים לאחר ההפגזה של הלגיון, שגם לא כוונה דווקא נגד צרכני החשמל הגדולים, אלא כללית לאזורי שליטה בירושלים. מפקדיו של טוביאנסקי הודיעו לו שהוא מואשם במעשה בגידה חמור, ושיועמד לדין עוד באותו יום על כי מסר לבריטים, במסגרת תפקידו בחברת החשמל, רשימה של צרכני החשמל הגדולים בירושלים.
משפט שדה והוצאה להורג.
ב-30 ביוני 1948 הוכנס טוביאנסקי למכונית שלוותה על ידי שתי מכוניות אחרות שיצאו מתל אביב לכיוון חולדה. משם הגיעו לבניין הנטוש של בית הספר המשותף לכפרים בית ג'יז ובית סוסין (באתר בית הספר הוקם מאוחר יותר מצפה הראל, כקילומטר וחצי מזרחית לקיבוץ הראל, והבניין הנטוש קיים עד היום). טוביאנסקי הוצא מן המכונית, הוכנס לאחת משתי הכיתות של בית הספר והועמד למשפט בפני בית דין שדה. איסר בארי מינה את חברי בית הדין מבין אנשיו וגם הציב את עצמו כתובע. לשלושת הקצינים אשר מונו לתפקיד של שופטים, דוד קרון, בנימין גיבלי ואברהם קדרון, אשר היו קציני מודיעין בתפקידם, לא הייתה כל הכשרה משפטית. על אף ליווי משפטי של התובע הכללי של צה"ל דאז, אברהם גורלי, לא היה כתב אישום, לא הוצגו ראיות ולנאשם לא מונה סנגור; למשפט לא הובאו עדים, לא נרשם פרוטוקול וכלל לא התקיים דיון במהלכו. בפני מאיר טוביאנסקי הוטחה אשמת הבגידה, אשר הסתמכה על דו"ח צרכני החשמל. הוא נדהם לשמוע כי מיוחסת לו בגידה על בסיס רשימה זו, ועל אף שהגיב כי לא בגד ולא התכוון לבגוד, נודע כי בכך הסתיים "הדיון"; לטוביאנסקי לא ניתנה זכות הערעור. אוסף השופטים הרשיע את טוביאנסקי בבגידה, ומיד גזר עונש מוות בירייה. לימים התברר כי "פסק הדין" נכתב רק לאחר ביצוע עונש המוות.
בעת שהדיון התנהל עסק איסר בארי, שאיחר למשפט, בהכנת כיתת יורים בת שישה חיילים, אשר נלקחו מחטיבת יפתח, שהתאמנה באזור. השישה הובאו, מבלי שידעו את הסיבה לכך, לבית הדו-קומתי שנותר על תלו עד היום בקיבוץ הראל ונושא את השם "בית הקשתות". לאחר שעה קלה הגיעו השופטים לבית, כפתו את טוביאנסקי, וקשרו את עיניו. הוא הוצב עם פניו אל הקיר, וכיתת היורים נצטוותה לירות בראשו. טוביאנסקי נהרג במקום, וליד הקיר נחפר בור, שלתוכו הושלכה גופתו וכוסתה בעפר. למשפחתו לא נמסרה כל הודעה.
בני ביתו של טוביאנסקי המתינו לשובו, ועם בוקר יצאו לחפשו. במקום עבודתו בחברת החשמל לא ידעו דבר, וכך גם בבסיס הקטן של חיל האוויר בירושלים. מישהו הפנה את בני המשפחה אל משרדי הש"י, שירות הידיעות של "ההגנה", ושם פגשו את יצחק לוי, שהיה ראש הש"י במחוז ירושלים. הוא סיפר להם שמספר ימים קודם לכן סיים את תפקידו, והפנה אותם לבנימין גיבלי. כך הסתובבה רעייתו של טוביאנסקי מספר ימים, וחיפשה אחר בעלה.
ב-19 ביולי 1948 נמסרה הודעה לעיתונות שמרגל ישראלי הוצא להורג, ללא פרסום שמו. נוסח ההודעה כפי שפורסם בעיתון הארץ:
טיהור שמו של טוביאנסקי.
לאחר מספר חודשים נתגלתה במקרה גופת בעל קרקעות ערבי מיפו בשם עלי קאסם ביערות הכרמל. בדיקה מצאה שהאיש נוקב בכדורים מטווח קרוב וגופתו הושלכה בין העצים. חקירת המשטרה מצאה שמדובר בערבי ישראלי שעבד כמרגל עבור המודיעין הישראלי. חקירה נרחבת העלתה שהאיש נחשד על ידי מפקדיו במודיעין הישראלי ששימש כסוכן כפול, ושהעביר במקביל מידע למודיעין הערבי. משם, הדרך אל איסר בארי ואנשיו הייתה קצרה, ואלה הודו בחקירתם כי הם שירו בקאסם, הרגוהו בלא משפט, והשליכו את גופתו ביער. בעקבות אירוע זה ופרשת אבא חושי, דוד בן-גוריון ואנשיו העמידו לדין את איסר בארי. בארי נשפט ונמצא אשם, וגזר דינו היה סילוקו מן הצבא.
בשלב זה, בעקבות מאבקה של האלמנה לטיהור שם בעלה, בא היועץ המשפטי הראשון של הממשלה, יעקב שמשון שפירא, ודרש לצרף למשפט גם את "תיק טוביאנסקי". ראש הממשלה, דוד בן-גוריון, ניאות ומינה את אהרון חוטר ישי, הפרקליט הצבאי הראשי, לבדוק את הנושא. הבדיקה גילתה לא רק את קיומו של "משפט השדה" אשר נשמר בסוד, אלא גם את הוצאתו של טוביאנסקי להורג ללא משפט, ללא ייצוג, ללא ערעור, ללא הודעה למשפחתו על מעצרו, משפטו והוצאתו להורג. הבדיקה העלתה כי כתב האישום היה מופרך מעיקרו וכי "פסק הדין" נכתב רק לאחר ביצוע עונש המוות. הפצ"ר המליץ לבטל את פסק הדין, להחזיר לסרן טוביאנסקי את דרגתו, אשר נשללה ממנו, להתנצל בפני אלמנתו ובנו היתום ולהעביר את גופתו לקבורה בבית הקברות הצבאי בהר הרצל בירושלים. המלצותיו התקבלו במלואן. ב-7 ביולי 1949 הועברה גופתו של טוביאנסקי לקבורה בבית העלמין שייח' באדר בהלוויה צבאית רשמית, שם נקבר לצד חללי "ההגנה". בי"ז בסיוון תשי"א (21 ביוני 1951) הועברה גופתו לבית הקברות הצבאי בהר הרצל בירושלים. על קברו נכתב כי "נהרג בשוגג".
ב -16 במרץ 1949 רשם דוד בן-גוריון ביומנו:
שנה לאחר המשפט, ב-1 ביולי 1949, כתב בן-גוריון לאלמנתו של טוביאנסקי שבעלה "היה חף מפשע, ופסק הדין וביצועו הם טעות טראגית". הודעה דומה נמסרה לאמצעי התקשורת. זאת לאחר שבמשפטו החוזר זוכה מכל אשמה, ואף הוענקה לו דרגת כבוד של סרן. בפסק דינו נרשם "טוביאנסקי, בן 45, חבר ההגנה נאמן מזה 22 שנה." הודאה זו של בן-גוריון, לגבי משפט שבוצע במהלך מלחמה, הייתה אבן דרך משמעותית בעיצוב סמכויות הצבא, ובפיקוח הדרג המדיני עליו.
בעקבות המקרה, פרסם נתן אלתרמן את השיר "אלמנת הבוגד" ב"טור השביעי", ובה הביע את דעתו על הפרשה.
הבית שלידו בוצעה ההוצאה להורג נמצא מאחורי לולי הפיטום של קיבוץ הראל ("בית הקשתות"). הבית שופץ ונפתח לציבור כאתר תיירותי, ויש בו שילוט וסיפור המשפט.
משפט בארי.
ביולי 1949 נעצר בארי כחשוד ברצח טוביאנסקי, וב-11 באוגוסט 1949 החלה חקירה משפטית של בארי בנוגע להריגת טוביאנסקי. בחקירה ביקש בארי להישפט בפני בית דין צבאי, וטען כי פעל על פי ההוראות שנתנו לו ומתוקף תפקידו.
ב-16 באוקטובר 1949 נפתח משפטו של איסר בארי על הריגת טוביאנסקי בפני בית משפט אזרחי. ב-22 בנובמבר הוקרא פסק הדין, ובו נמצא בארי אשם בהריגה ובחריגה מסמכות. בית המשפט הסביר את פסיקתו באומרו:
באותו היום נידון בארי למאסר של יום אחד "מזריחת השמש ועד שקיעתה" וקנס של לירה ישראלית אחת, לאחר שהתובע והסניגור הסכימו שיש להשית על בארי עונש סמלי. עוד באותו לילה חנן נשיא המדינה, חיים ויצמן, את איסר בארי בהמלצתו של הרמטכ"ל. בארי יצא מהמשפט מדוכא מאוד, חי סגור בביתו ושפוף.
בארי ושלושת חוקריו של טוביאנסקי המשיכו במסלול חייהם. דוד קרון כתב על כך בספרו:
קרון הוסיף וכתב כי לא היה לו ספק שטוביאנסקי אשם וכי לבארי הייתה סמכות מלאה לעשות את מה שעשה. בנימין גיבלי, ראש אמ"ן לשעבר, הודה בפני הביוגרף שלו, אריה קרישק, (בספר שנגנז) כי לא היה צריך להוציא להורג את טוביאנסקי, אף שטוביאנסקי לקה ולא היה "קורבן".
הנצחה.
ביולי 2015 עלה למסכים הסרט "טוביאנסקי" בבימויו של ריקי שלח ובכיכובם של השחקנים עוז זהבי, אורי פפר, מיכה סלקטר ואחרים, על-פי תסריט של מיכאל בר-זוהר. הסרט מציג את טוביאנסקי כקורבן המערכת והתקופה ומטיל את חרפת האשם על בארי, גיבלי ואנשיהם.
ב-11 בספטמבר 2016 הוסר הלוט מעל שלט בכניסה ל"בית הקשתות" בקיבוץ הראל בטקס בו השתתפו בנו של טוביאנסקי, יעקב בנטוב, ובנו של קרון.
באוקטובר 2021 החליטה הוועדה לשמות רחובות של עיריית ירושלים להנציח את מאיר טוביאנסקי ואת אשתו לנה, שפעלה לטיהור שמו.
ביוני 2022 הודיעה חברת החשמל שתחנת הכוח הראשונה בירושלים תיקרא על שם טוביאנסקי.
משפט אברהם גורלי.