左懋第被追回以後，拘禁在太醫院。順治二年（1645年）三月，清軍攻下南京後，多爾袞認為時機已到，派人宴請左懋第。懋第問：“何故？”答曰：“江南破矣。”懋第悲憤至極，仆席於地。此後數日不食，隻求一死。
多爾袞很佩服左懋第的骨氣，所以仍不厭其煩地派人勸降。先派來洪承疇，但未及他進門，左懋第就故意高聲大喊：“鬼也！洪承疇者統兵邊徼，戰敗死節。先帝哭之殿陛，置祠廟，親與祭，今豈有洪承疇來？”
洪承疇聽後，窘得汗流頰際，自覺無地自容，匆匆離去稟報了多爾袞。多爾袞倒表現了極大的耐心，又派李建泰去。左懋第嚴詞斥責李建泰道：“若受先帝餞寵，不能殉國，既降賊，今又降北，何麵目見我！”李建泰聞言，滿麵慚色而退。
同年閆六月，清廷再下剃發令。左懋第的隨員副將艾大先、監餉傅睿等，經不住威嚇利誘，發生動搖，剃發梳辮。左懋第下令將其亂棍打死。攝政王多爾袞聽說後，再派左懋泰去詰責，左懋第將其罵出館舍。
多爾袞黔驢技窮，隻得親自提審左懋第。當問道：“爾為何不肯剃頭？” 左懋第凜然答稱：“我自行大明法律，殺我部下，與你們何幹？”多爾袞聞之益怒，派兵闖入太醫院，嚴令剃頭。清兵大喝道：“留頭不留發！”淫威之下，使團中不少人投降，唯獨左懋第以及從官陳用極、王一斌、王廷佐、張良佐、劉統等六人堅執不降。被勒令打入水牢，斷絕飲食，百般折磨。
次月二十日，多爾袞親自出馬，率滿朝大臣在午門外審訊左懋第等人。他麵對滿清這位大名鼎鼎、殺人不眨眼的攝政王，依然錚錚鐵骨，長揖不跪。多爾袞一見左懋第，便威嚇說：“左侍郎有五大罪，知之乎？”左懋第反問道：“何為五大罪？”多爾袞煞有介事地說：“偽立福王一罪也，勾連土寇二罪也，不投國書三罪也，擅殺平人四罪也，當朝抗禮五罪也。”
左懋第聽得怒不可遏，慷慨陳詞，逐一反駁。他說道：“我先皇帝痛罹大變，臣民無主，以親以賢以序，奉福王即帝位。福王，高皇帝子孫也，何曰偽立？山東豪傑心念漢德，聞風響應，忠臣節士豈土寇哉？我皇上念爾國為先皇帝報仇發喪，命懋第齎金帛慰勞爾。爾君既不郊迎，禮官又不以龍亭出接禦書，悖慢孰甚？艾大選剃發納降，懋第奉天子敕書，秉黃铖，論法當斬。昔且鞮侯單於發漢使路充國等歸，後世謂匈奴有禮。今爾羈辱天使，失在爾國，不在懋第。”左懋第一席話大義凜然，無可辯駁。在場的滿漢大臣無不目瞪口呆。
多爾袞軟硬兼施，轉而勸道：“爾勿誤，今日降，今日福貴矣。”左懋第嗤之以鼻，不予理睬。
多爾袞黔驢技窮，環顧左右，征詢朝臣的意見。吏部侍郎陳名夏說：“為福王來，可殺。”左懋第痛斥陳名夏道：“汝先朝臣工，何在此？”兵部侍郎金之俊說：“先生何不知興廢？”左懋第反問：“汝何不知羞恥？”多爾袞一旁厲聲問：“你自謂知天理，我問你，為什麼你吃我大清朝糧食，半年猶不死？”左懋第的從官陳用極在一旁高聲回答：“你們來奪我大明江山，卻反說我們吃你們的糧食，豈有道理？”多爾袞大怒：“汝輩何人，也敢不跪！”立命衛士棍棒交下。陳用極噴血狂呼：“士可殺不可辱！”。多爾袞聞言改容，沉吟久之，說：“汝等不畏死，都是忠臣好漢。如果降我大清，必得厚待！”
左懋第等人慷慨從容，惟求速死。滿堂漢人降官緘默無聲，羞慚之下，無人再為左懋第等人請命。見此情狀，多爾袞愈發怒不可遏，下令把左懋第等人牽出處斬。一行六人，左懋第居首，從容步行至菜市口。同左懋第同時赴法場的有其隨員，兵部司務陳用極、遊擊王一斌，都司張良佐、王廷翰、守備劉統。
臨刑前，左懋第問同行：“悔乎？”陳用極回答：“求仁得仁，又何怨？！”六人從容不迫，齊向南拜，說：“臣等事大明之心盡矣！”一同端坐，慷慨受刑。
左懋第崇高的民族氣節和對國家對人民的赤膽忠心，一直為後人所口碑載道。乾隆四十年，經大學士舒赫德、於敏中等集議具奏，乾隆皇帝特賜他諡號“忠貞”。