Som en av Mossadeqs närmaste män anses han vara en av dem som utarbetade planen för nationalisering av landets olje- och gastillgångar, vilket anses vara huvudorsaken till att den amerikanska säkerhetstjänsten planerade och genomdrev militärkuppen som kom att gå under täcknamnet "Operation Ajax". Efter kuppen greps Fatemi och efter att ha torterats svårt dömdes han till döden vid en summarisk rättegång inför en militärdomstol för "förräderi mot shahen". Han avrättades av en exekutionspluton den 10 november 1954.