8月21日，他抵北京。9月5日，光緒下詔授給他和林旭、劉光弟、楊銳四品卿銜，參預新政。次日，光緒又召見他，表示自己是願意變法的，隻是太後和守舊大臣阻撓而無可奈何，並說：“汝等所欲變者，俱可隨意奏來，我必依從。即我有過失，汝等當麵責我，我必速改。”光緒變法的決心和對維新派的信賴使譚嗣同非常感動，覺得實現自己抱負的機會已經在握。他參政時，維新派與頑固派的鬥爭已是劍拔弩張。慈禧等人早有密謀，要在10月底光緒去天津閱兵時發動兵變，廢黜光緒，一舉撲滅新政。9月18日，譚嗣同夜訪袁世凱，要袁帶兵入京，除掉頑固派。袁世凱假惺惺地表示先回天津除掉榮祿，然後率兵入京。袁世凱於20日晚趕回天津，向榮祿告密，榮祿密報西太後。21日，西太後發動政變。慈禧連發諭旨，捉拿維新派。他聽到政變消息後並不驚慌，置自己的安危於不顧，多方活動，籌謀營救光緒。但措手不及，計劃均告落空。在這種情況下，他決心以死來殉變法事業，用自己的犧牲去向封建頑固勢力作最後一次反抗。譚嗣同把自己的書信、文稿交給梁啟超，要他東渡日本避難，並慷慨地說：“不有行者，無以圖將來，不有死者，無以召後起。”
日本使館曾派人與他聯係，表示可以為他提供“保護”，他毅然回絕，並對來人說：“各國變法無不從流血而成，今日中國未聞有因變法而流血者，此國之所以不昌也。有之，請自嗣同始。”24日，譚嗣同在瀏陽會館被捕。在獄中，意態從容，鎮定自若，寫下了這樣一首詩：“望門投止思張儉，忍死須臾待杜根。我自橫刀向天笑，去留肝膽兩昆侖”。9月28日，他與其他5位誌士英勇就義於北京宣武門外菜市口。當他們被殺時，刑場上觀看者上萬人。他神色不變，臨終時還大聲說：“有心殺賊，無力回天，死得其所，快哉快哉！”充分表現了一位愛國誌士舍身報國的英雄氣概。1899年，他的遺骸運回原籍，葬在湖南瀏陽城外石山下。墓前華表上對聯寫道：亙古不磨，片石蒼茫立天地；一巒挺秀，群山奔赴若波濤。其著作編為《譚嗣同全集》。