28 декабря 1945 года вылетел в Германию для участия в Нюрнбергских процессах. Представлял советское обвинение по разделам «Агрессия против СССР» и «Принудительный труд и насильственный угон в немецкое рабство», а также по «Катынскому делу». Среди достижений Зори на процессе, американский обвинитель Роберт Джексон выделяет допрос им фельдмаршала Паулюса, в ходе которого Паулюс заявил, что единственной целью войны Германии на Восточном фронте был захват советской территории с целью её колонизации, разграбления и эксплуатации [населения и материальных ресурсов]. Был найден застреленным или застрелившимся в своём гостиничном номере (Гюнтермюллерштрассе, 22) на следующий день после того, как Иоахим фон Риббентроп и его секретарь Вайцзеккер под присягой устно восстановили текст тайного протокола-приложения к Договору о дружбе и границе между СССР и Германией, в котором говорилось о предстоящем разделе Польши. Часть советских сотрудников и американских прокуроров полагала, что Зоря был убит сотрудниками НКВД. Следствие по делу о смерти Н.Д Зори вёл прокурор Лев Смирнов.