Ngày kế tiếp, trong khi 310 đại biểu xin khoan hồng thì có đến 380 phiếu đòi hành quyết Louis. Và đó là quyết định sau cùng. Thứ Hai, ngày 21 tháng 1 năm 1793, Louis bị đưa lên máy chém tại Quảng trường Cách mạng (nay là Quảng trường Concorde). Đao phủ Charles Henri Sanson làm chứng rằng cựu vương can đảm khi đối diện với cái chết. Khi bước lên đoạn đầu đài, Louis tỏ ra nhẫn nhục trong phẩm giá. Ông chỉ nói ngắn gọn khẳng định mình vô tội ("Tôi tha thứ cho những ai gây ra điều bất hạnh này của tôi…"), tuyên bố rằng ông sẵn lòng chết và cầu nguyện cho người dân Pháp được tránh khỏi số phận tương tự. Nhiều người kể lại rằng có lẽ Louis XVI muốn nói thêm nữa, nhưng Antoine-Joseph Santerre, chỉ huy đội Vệ binh Quốc gia, ra lệnh nổi trống để cắt lời của tử tội. Một số nhân chứng thuật lại rằng sau nhát chém đầu tiên, đầu của Louis vẫn chưa rời khỏi cổ. Nhiều người từ trong đám đông chạy đến nhúng khăn tay của mình vào dòng máu của Louis đang chảy tràn xuống đất.