Заарештований 29 грудня 1825 року в Трилісах, був звільнений офіцерами-спільниками (Кузьміним, Щепилло, Сухиновим) і разом з підпоручиком Михайлом Бестужевим-Рюміним очолив повстання Чернігівського полку 29 грудня 1825 — 3 січня 1826 року. 3 січня 1826 року повсталий полк зазнав поразки під Ковалівкою. У бою з урядовими військами Сергій Муравйов-Апостол був тяжко поранений картеччю і взятий у полон. З великою гідністю і мужністю поводив себе під час слідства. Засуджений до страти через повішення на кронверку Петропавлівської фортеці. Страчений на світанку 13(25) липня 1826 року разом із чотирма товаришами. Він, а також Рилєєв, зірвалися з шибениці через гнилу мотузку; однак їх не помилували, а повісили повторно («Нещасна Росія: і стратити як слід не вміють», — вигукнув Рилєєв, за іншими даними — Сергій Муравйов-Апостол). Сергію Івановичу не виповнилося і 30 років. Друзі, офіцери і солдати називали його «Апостол Сергій».