Vanini forlot så Paris, hvor han ble huskapellan for Marechal de Bassompierre, og begynte å undervise i Toulouse. I november 1618 ble han arrestert. Den drivende kraft i prosessen mot ham var Guillaume Catel, rådgiver til parlementet i Toulouse. Etter en langtrukken rettssak på seks måneder for kjetteri og blasfemi ble Vanini dømt til å få tungen skåret ut, til å bli kvalt og til at hans døde legeme skulle brennes. Dommen ble eksekvert den 9. februar 1619.