那天晚上，卓娅又一次潜进彼得里斜沃村，准备点燃拴有200多匹马的马厩。她小心地从背囊里掏出汽油瓶子，把汽油洒在敌人的马厩上，掏出火柴，刚要划火点燃时，一个德国兵发现了她。德国兵从身后将卓娅反扣住，卓娅拼命反抗，迅速掏出手枪。卓娅没有来得及扣动扳机，德国兵把她的枪打掉在地，鸣起了警笛。抓住卓娅的是德国陆军第197步兵师第332团的官兵。
卓娅被带进审讯室，德军中校留得列尔亲自审讯。
“你叫什么名字？”德军问。
“我叫丹娘！”卓娅想起小时候读的书中的英雄，她要实践自己的诺言，也当丹娘似的英雄。
德国法西斯逼迫卓娅交出同伙，并问是谁派她来的。卓娅什么都没说。敌人用皮鞭狠狠抽打卓娅，把卓娅的衣服剥掉，让她赤着脚在雪地里走。
4个德国军人拷打审讯了两个多小时，还是一无所获。
晚上，卓娅被押到一个叫库里克的村民家里，在这里度过了她生命中最后一个夜晚。
这时，卓娅口渴得厉害，房东库里克想喂卓娅一口水喝。德国兵挡住了库里克，端起桌子上的煤油灯要给卓娅煤油喝。库里克一再求情，最后才让卓娅喝了两大杯水。
下半夜，一群德国兵将卓娅围住，扒去她的衣服，折磨卓娅。他们用燃烧的火柴烧她的下巴，用锯刺她的背。每隔一个小时，就把卓娅赶到屋子外面，用刺刀顶着她的后背，让她在雪地里来回走。最后，还对卓娅进行了性污辱。
1941年11月29日早晨，寒风刺骨。遍体鳞伤的卓娅被德军带到了绞刑架，她的胸前挂着一块木牌，上面写着“纵火犯”三个字，一个汽油瓶子也挂在她的胸前。
卓娅被几个德军抱着放在木箱上，将绳套套在她的脖子上。一个德国军官打开柯达照相机准备拍照。村里的老百姓被赶到刑场上，但是不少人站了一会儿就走开了，他们不忍心目睹这残酷的行刑场面。
卓娅遍体鳞伤，脸带鲜血，在寒冷的冬日只穿着一件破烂的衣衫，但她昂首挺胸，在生命即将结束以前，向在场的同胞大声说：
“同志们！你们为什么看得这样的不快活呢？更勇敢些起来进行战斗吧！打死德国法西斯，烧死他们，毒死他们吧！”
她转过身对站在身旁的德军说：
“现在你们把我吊死，但是我并不是孤立无援的，我们有着2万万的人口，你们不能把他们全部吊死的。他们是会替我报仇的，胜利是属于我们的！”
这时，刽子手使劲地拉着绳子，绳套紧紧地扣在卓娅的脖子上。
卓娅感到呼吸越来越困难。即便这样，她仍然使出全身所有的力气，用她那已略微有些沙哑的声音继续高呼：
“同志们！告别了！努力奋斗！不要害怕！斯大林和我们在一起！斯大林是一定会来的……”
嘶哑的声音终于随着绞绳的缩紧而断绝了。
那一年，卓娅年仅18岁！
卓娅牺牲后的两个月，也就是1942年1月27日，苏联《真理报》上发表了里多夫写的一篇通讯，报导了一位叫“丹娘”的姑娘被德国鬼子杀害的事件。当时，谁也不知道这个丹娘是谁，包括卓娅的母亲也不知道“丹娘”就是自己的女儿卓娅。后来，苏联政府经过核实，丹娘就是卓娅，并在全国宣传卓娅的事迹。
斯大林知道了这个消息后，极度震怒了。当德军提出要用苏军俘虏的一个德国将军换取斯大林的儿子雅可夫，这位掌握苏联最高权力的父亲，幽默地断然拒绝说：“我不会那样傻，用一个将军去换一个中尉！”现在，听到卓娅的事迹，斯大林再也保持不住平静的心态。他立即签发了一道命令：
苏联红军、红海军、游击队员们绝对不允许接受杀害卓娅的德军第197步兵师第332团任何官兵的投降。不准接受投降！
一个卓娅倒下去，千万个卓娅站起来。烈士的精神鼓舞了亿万苏联军民：在前线，苏军官兵在英雄事迹的激励下，以更加高昂的斗志，痛击入侵之敌；在后方，无数的青年则在英雄事迹的鼓舞下拿起武器奔向前线，这其中就包括卓娅的弟弟、后来同样成为英雄并为国捐躯的舒拉。
1941年12月5日，对于苏军来说，这一天是莫斯科保卫战最关键的一天，而纳粹德军的将领们则把这一天称之为“最黑暗悲惨的一天”。
这一天，隆冬的大雪铺天盖地，德军在环绕莫斯科周围320公里的半圆形阵地上，全线被苏军制止住了。更可怕的是，人们在一片银白色的战区里，看到无数被冻僵的德军官兵的尸体。
12月6日，朱可夫指挥的西方方面军首先从莫斯科西北发起了反攻，接着在莫斯科前沿北起加里宁，南至叶列茨长达1000多公里的战线上，苏军7个军团和2个骑兵军，共计100个师全线出击。
两天后，德军被迫转入防御，希特勒解除了陆军总司令布劳希奇等高级将领的职务，自任陆军总司令，以期防止德军战线出现全面崩溃。
莫斯科战役是德军在第二次世界大战中遭到的首次重大失败。在战斗中德军损失了1300辆坦克、2500门火炮和15000辆汽车，人员伤亡高达50万人，其中10万名德军死伤于莫斯科的严冬。
