I fengselet konverterte han til katolisismen, og arrangerte lenken i cellen sin som et kors. Angivelig var han skrekkslagen over sine egne forbrytelser: «Kan man undres over at etter at jeg ble arrestert har jeg tilbrakt mine dager i selvbebreidende pine, og mine netter i søvnløs skrekk?» Han hevdet at utseendet hans endret seg og antok en djevelsk form – at nesen og øret ble mindre på den ene siden av ansiktet, men vokste på den andre, og at arm og bein ble kortere på ene siden, men lengre på den andre. Likeså beskrev han en fordreining av den ene ansiktshalvdelen sn og øyet der. Like fullt sov han godt natten før sin henrettelse, kledde seg med omhu og fortsatte å skrive brev til kvinner han hadde giftet seg med, til slektninger og til venner av noen av sine ofre. Efter kommunion spiste han frokost med god appetitt. Sheriffen hadde invitert 51 personer til henrettelsen, og alle var møtt frem kl. 9 i likhet med en stor menneskemengde. Holmes tok det hele med stor fatning, og erklærte rolig at han ikke hadde myrdet noen; han var bare skyld i to kvinners død, da de omkom under «ulovlige operasjoner» (dvs. aborter) han hadde foretatt. Så ble han hengt, og to leger lyttet etter hjerteslag i et kvarter før de erklærte ham død. Etter eget ønske ble han gravlagt i en kiste fylt med sement som ble så tung at flere journalister måtte hjelpe graverne med å bære den. I dødsattesten står han som «hvit mann, 35 år, gift». Dødsårsak: «Hengning etter loven». Noe yrke er ikke oppgitt, og som fødested bare «USA». Holmes ligger i en umerket grav på -kirkegården.