Einen Tag nach dem gescheiterten Attentat und Umsturzversuch des 20. Juli 1944 wurde Oster verhaftet, nachdem er als von den Verschwörern vorgesehener Verbindungsoffizier im Wehrkreis IV identifiziert werden konnte. Genau einen Monat vor der militärischen Kapitulation fand im bayerischen KZ Flossenbürg ein Schauprozess unter Vorsitz von Otto Thorbeck statt: Generalmajor Oster sowie Dietrich Bonhoeffer und Wilhelm Canaris wurden am 8. April 1945 ohne jeglichen rechtlichen Mindeststandard zum Tode verurteilt. Die Anklage vertrat Walter Huppenkothen, Beisitzer war u. a. Max Koegel, KZ-Kommandant und langjähriges SS-Mitglied. Am 9. April, demselben Tag, an dem im bayerischen KZ Dachau der Widerstandskämpfer Georg Elser exekutiert wurde, fand ihre Hinrichtung durch Hängen statt.