روز قبل از اعدام،خليفه با بزرگان دربارش مشورت كرد كه چگونه بابك را درشهر بگرداند و به مردم نشان بدهد تا همه بتوانند وي را ببينند. بنا بر نظر يكي از درباريان قرار برآن شد كه وي را سوار بر پيلي كرده در شهر بگردانند. پيل را با حنا رنگ كردند و نقش و نگار برآن زدند؛ و بابك را در رختي زنانه و بسيارزننده و تحقيركننده برآن نشاندند و درشهر به گردش درآوردند. پس ازآن مراسم اعدام بابك با سروصداي بسيار زياد با حضور شخص خليفه برفراز سكوي مخصوصي كه براي اين كار دربيرون شهر تهيه شده بود، برگزار شد. براي آنكه همه‌ي مردم بشنوند كه اكنون دژخيم به بابك نزديك ميشود و دقايقي ديگر بابك اعدام خواهد شد، چندين جارچي در اطراف و اكناف با صداي بلند بانگ ميزدند نَوَد نَوَد اين اسمِ دژخيم بود و همه اورا ميشناختند . ابن الجوزي مينويسد كه وقتي بابك را براي اعدام بردند خليفه دركنارش نشست و به او گفت: تو كه اينهمه استواري نشان ميدادي اكنون خواهيم ديد كه طاقتت دربرابر مرگ چند است!
بابك گفت: خواهيد ديد.
چون يك دست بابك را به شمشير زدند، بابك با خوني كه از بازويش فوران ميكرد صورتش را رنگين كرد. خليفه ازاوپرسيد: چرا چنين كردي؟ بابك گفت: وقتي دستهايم را قطع كنند خونهاي بدنم خارج ميشود و چهره‌ام زرد ميشود، و تو خواهي پنداشت كه رنگ رويم از ترسِ مرگ زرد شده است. چهره‌ام را خونين كردم تا زرديش ديده نشود . به اين ترتيب دستها و پاهاي بابك را بريدند . چون بابك برزمين درغلتيد، خليفه دستور داد شكمش را بدرد... پس از ساعاتي كه اين حالت بربابك گذشت، دستور داد سرش را از تن جدا كند. پس ازآن چوبه‌ي داري در ميدان شهر سامرا افراشتند و لاشه‌ي بابك را بردار زدند، و سرش را خليفه به خراسان فرستاد . آخرين گفتار بابک ( به نوشته کتاب حماسه بابک اثر نادعلي همداني ) چنين بوده است :
تو اي معتصم خيال مکن که با کشتن من فرياد استقلال طلبي ايرانيان را خاموش خواهي کرد من لرزه اي بر ارکان حکومت عرب انداخته ام که دير يا زود آن را سرنگون خواهد نمود . تو اکنون که مرا تکه تکه ميکني هزاران بابک در شمال و شرق و غرب ايران ظهور خواهد کرد و قدرت پوشالي شما پاسداران جهل و ستم را از ميان بر خواهد داشت !اين را بدان که ايراني هرگز زير بار زور و ستم نخواهد رفت و سلطه بيگانگان را تحمل نخواهد کرد من درسي به جوانان ايران داده ام که هرگز آنرا فراموش نخواهند کرد .
و بدينسان نخست دست چپ بابک بريده شد و سپس دست راست او و بعد پاهايش و در نهايت دو خنجر در ميان دنده هايش فرو رفت و آخرين سخني که بابک با فريادي بلند بر زبان آورد بود : " پاينده ايران "
قلعه بابك (آذربایجان شرقی)
برادر بابك يعني آذين را نيز خليفه به بغداد فرستاد و به نايبش در بغداد دستور نوشت كه اورا مثل بابك اعدام كند.
طبري مينويسد كه وقتي دژخيمْ دستها و پاهاي برادر بابك را مي‌بُريد، او نه واكنشي از خودش بروز ميداد و نه فريادي برمي‌آورد. جسد اين مرد را نيز در بغداد بردار كردند. (تاريخ ايران-دکتر خنجي)
معتصم خليفه عباسي، چنانکه نظام الملک در سياست نامه خود مي نويسد به شکرانه آنکه سه سردار مبارز ايراني، بابک ، مازيار وافشين رو که هر سه آنها به حيله اسير شده بودند به دار آويخته بود،مجلس ضيافتي ترتيب داده بود که در طول آن 3 بار پياپي مجلس را ترک گفت و هربار ساعتي بعد برمي گشت. در بار سوم در پاسخ حاضران که جوياي علت اين غيبت ها شده بودند فاش کرد که در هر بار به يکي از دختران پدر کشته اين سه سردار تجاوز كرده است، و حاضران با او از اين بابت به نماز ايستادند و خداوند را شکر گفتند. (تولدي ديگر-شجاع الدين شفا).
