Στη δίκη που έγινε τον Οκτώβρη του 1951, στο έκτακτο στρατοδικείο καταδικάστηκε σε θάνατο, αλλά, το καθεστώς αντιλήφθηκε ότι η ποινή δεν μπορούσε να εκτελεστεί χωρίς ουσιαστικό κατηγορητήριο, κλονίζοντας ανεπανόρθωτα τις εύθραυστες μετεμφυλιακές ισορροπίες.
Η διεθνής κατακραυγή υποχρεώνει τον τότε πρωθυπουργό Νικόλαο Πλαστήρα, να ανακοινώσει την άρση της απόφασης.
Διεθνείς προσωπικότητες, όπως ο Πικάσο στον οποίον οφείλεται η περίφημη προσωπογραφία «Ο άνθρωπος με το γαρύφαλλο», ο Πωλ Ελυάρ, ο Σαρτ και πολλοί άλλοι, ενώνουν τη φωνή τους για τη σωτηρία του, ενώ ακόμα και ο τότε Αρχιεπίσκοπος Αθηνών και πάσης Ελλάδος Δαμασκηνός εξαίρει την ανιδιοτέλεια και την αυταπάρνηση με την οποία υπερασπιζόταν τα ιδανικά του.
Ωστόσο ο Μπελογιάννης και μερικοί ακόμη σύντροφοί του, οδηγούνται σε νέα δίκη με την κατηγορία της κατασκοπείας, η οποία θα ενισχυθεί όταν οι αρχές θα ανακοινώσουν στις 14 Νοεμβρίου 1951, ότι βρήκαν παράνομους ασύρματους σε χώρους κομμουνιστών σε Καλλιθέα και Γλυφάδα.
Στις 15 Φεβρουαρίου 1952, ξεκινάει το δεύτερο μέρος της πολύκροτης δίκης, η οποία έσπασε τα σύνορα της Ελλάδας και κέντρισε το ενδιαφέρον της ευρωπαϊκής κοινής γνώμης. Ο Μπελογιάννης ενώπιον του Διαρκούς Στρατοδικείου Αθηνών, αντικρούει όλες τις κατηγορίες περί κατασκοπείας και δηλώνει: «Εμείς αγαπάμε την Ελλάδα και το λαό της περισσότερο από εκείνους που μας κατηγορούν. Το αποδείξαμε τότε που η λευτεριά, η ανεξαρτησία και η εδαφική ακεραιότητα βρίσκονταν σε κίνδυνο. Παλεύουμε για να ξημερώσουν και για την πατρίδα μας καλύτερες μέρες, χωρίς πείνα και πόλεμο. Κι αν χρειαστεί θυσιάζουμε γι’ αυτό και τη ζωή μας».
Την 1η Μαρτίου, ο Νίκος Μπελογιάννης, κρατώντας ένα γαρύφαλλο όπως κάθε μέρα κατά τη διάρκεια της δίκης, ακούει τον πρόεδρο του στρατοδικείου να ανακοινώνει ότι μαζί με επτά συντρόφους του (Δημήτρης Μπάτσης, Ηλίας Αργυριάδης, Νίκος Καλούμενος, Τάκης Λαζαρίδης, Χαρίλαος Τουλιάτος, Μιλτιάδης Μπισμπιάνος και Έλλη Ιωαννίδου) καταδικάζεται σε θάνατο.
Σαν σήμερα, την Κυριακή 30 Μαρτίου, ημέρα που ούτε οι Γερμανοί κατακτητές έκαναν εκτελέσεις, στις 4:12 π.μ., ο Νίκος Μπελογιάννης εκτελέστηκε μαζί με τους συντρόφους του στο Γουδί, περνώντας στην ιστορία.