1793年1月20日，在国民公会完成16与17日的表决后，路易十六接获了判处其极刑的法令。他接过判决书纳入口袋，请求宽限三日以备受死，并求延请神父一人、与家人作最后诀别，以及准许家眷离境赴外国。缓刑之请遭公会断然否决；与家人相见及延请神职人员之请获准，然其家属出境之请终未施行。
这场审判此前已缠斗数周之久。当路易十六出庭面对国民公会受审时，德塞兹为其出庭辩护。这位辩护人先是重申君主之身神圣不可侵犯之原则，继而陈词：倘若被告不能以君王之身份受审，则理应至少享有平民公民应得之一切权利。随后，他逐条驳斥针对国王的各项指控，尤以8月10日屠戮法国国民鲜血之重罪为甚。其辩护词以对在座议员之凛然警示作结：历史终将审判诸君今日之决断。
国王被押解回圣殿塔后，议员间的争辩复起。朗瑞内率先质疑国民公会审判国王之法统资格。吉伦特派提议付诸全民公投，山岳派则极力阻挠。至1月14日，公会敲定了交付逐项表决之议题。依尚帕尼亚克所载，在公会749名议员中，有683票裁定路易犯有阴谋危害自由及危害国家安全之罪。量刑之唱名表决彻夜连昼，延宕自16日晚至17日终。在到场的721名议员中，有361人投票赞成无条件处死，恰达绝对多数之线。会议议长韦尼奥随即起立宣判极刑。
彼时路易已在塔中苦候辩护律师四日，屡屡求见。待执行委员会特使抵临，国王神色平静，伫立于寝室门前。加拉向其宣读公会法令：定罪、死刑、驳回诉诸全民表决之请，并限定于二十四小时内执行。国王随后取出一信宣读，要求宽限三日以作准备、得神父抚慰临终、准与至亲最后相见，并容家人迁出法国。递交诉状之后，他返身回室，传令开膳。
狱卒此前已收走刀具。见守卫拒不给刀，国王淡然道，他们断不该以为自己会怯弱至自戕残生，他自知当从容就义。他遂不用餐刀进食。国民公会最终驳回缓刑。接见家人与神父探视之请准行，但放行家眷离境之祈求无果而终。加拉派人延请埃奇沃斯·德·菲尔蒙神父。据尚帕尼亚克记载，当司法部长折返圣殿塔通报驳回缓刑之时，国王神情宁静泰然，反倒是前来传谕的部长脸上浮现出掩抑不住的凄恻动容。
埃奇沃斯神父被引见入室时，已是入夜八点时分。路易与他深谈法国教士之境况，托他代向巴黎总主教转达自己对圣教会矢志不渝之虔敬。随后，国王步出房间前往会见家人。市政官员特意择定一间以玻璃门隔开的餐厅：监管人员立于门外即可洞悉室内一举一动，却无法听清私语。路易预先命人在桌上备下一壶清水，以防女眷因悲恸而昏厥。
晚八时三十分，王后牵着王太子的手步入室中。伊丽莎白夫人与玛丽-泰蕾兹长公主紧随其后。众人悲呼着扑入国王怀中。据史载，起初数分钟内唯有痛哭与拥抱；随后，极度压抑的低语交谈方才开始，其间不时陷入死一般的沉寂。国王向她们许诺，次日清晨行刑前必再来见她们一面。公主们哀声求他定下确诺。当国王起身准备离去时，仍紧紧抱住他的长公主当场昏厥倒地，众人只得将她抬离。路易折回神父身边，良久方渐复镇定。
午夜前后国王就寝，吩咐贴身男仆克莱里于晨间五时唤醒自己。清晨起身，男仆升起炉火，将五斗柜改设为简易祭坛。埃奇沃斯神父主持弥撒，路易跪地恭听并领受圣体。国王索要剪刀欲自行断发，以图免遭刽子手侮辱剪发之厄，公社对此断然拒绝。他遂将与王后、妹妹及儿女的诀别之言托付克莱里，并留下一枚印章、数绺断发及若干首饰。他又请求一名市政官员代将遗嘱呈交公社，后者却粗暴斥道：自己的差事是押送其上刑场，而非代充信差。直至出发，他未再见家人一面；尚帕尼亚克引用梯也尔的记述阐明，国王此举实是不忍再让至亲经历一场撕心裂肺的生离死别。
在尚帕尼亚克明确注明引自梯也尔的行刑途中与刑场记述中，重重武装的人群虽列队夹道，但从圣殿塔至革命广场沿途未发任何骚动。在马车内，路易手持埃奇沃斯神父的祈祷书默诵临终祈祷经文。行抵广场，国王步下马车，奋力推开迎面逼近的刽子手，从容解开衣衫。及至刽子手欲将其双手缚住，他厉声抗辩，似欲搏力反抗。埃奇沃斯神父在旁进言，提醒他承受此番屈辱正是追随基督受难的最后一层肖似；路易闻言遂释怀，任由其引颈就缚。
他曾试图向围观民众陈词。他高声说道：自己虽蒙冤被戮，但临终对所加诸罪行清白无辜；他宽恕致自己于死地之人，祈愿自己的鲜血莫要连累法国。然而如雷的鼓声瞬间将其声浪淹没。当他被推向断头台时，埃奇沃斯神父在他耳畔低语了最后的送行祈祷。据梯也尔笔录，断头机锋落下之时为上午十时十分。国王殒命之后，有人蜂拥而上以长矛与手帕浸蘸鲜血，高呼拥护共和国之口号狂奔离去。史载，此后的巴黎全城在一队队巡逻兵的严密戒备与紧闭的门窗背后，陷入一片死寂。
玛丽-安托瓦内特在圣殿塔又被羁押数月，其后被移送至古监狱。1793年10月，她被推上革命法庭受审。审判长指控她向路易传授欺瞒诈术，企图以牺牲爱国志士鲜血为代价复辟君主制。王后辩称，她与丈夫生前别无所求，唯念法国国民之福祉。当一名陪审员就污秽指控步步紧逼时，她转向庭上的母亲们，呼吁她们凭良心评断。作为证人出庭的前巴黎市长巴伊陈述，他虽熟识夫人，但对强加于她的罪名一无所知。法庭终以全票一致裁定王后死刑；同年10月16日，她被送上断头台。
国王胞妹伊丽莎白夫人于1794年5月10日被处决。尚帕尼亚克的笔触将她描绘为与政治阴谋毫无瓜葛之人，其罹难实为对这一王室家族施加的又一重创。至于年幼的王太子，则始终未曾受到正式审判。在被指派为监护人的西蒙离去后，巴黎公社委员轮番在圣殿塔的囚室中严密监视这名幼童。编年史载，狱卒常在深夜将熟睡的孩童粗暴推醒，逼令其起身应答，而后再驱其入眠。囚室内终年不见天日，内衣被褥亦从不换洗。
1795年6月，这名幼童在幽禁中夭亡。尚帕尼亚克将死因主要归咎于其记述的严酷监禁环境。他援引一位未具名的著作家之言指出，男童在生命末期心智大半已丧失殆尽，仅对偶有不加苛待之人尚能流露出一丝感激之情。那一晚曾在圣殿塔玻璃门后紧紧相拥的一家人，其结局就此零落风尘：国王在票数微弱的险局中伏诛，王后在政治构陷与奇耻大辱的罗织中殒命，伊丽莎白吞没于恐怖处决的狂澜，而幼小的王子则在编年史所详载的幽闭与剥夺中悄然凋零。