敌特调阅谢士炎曾起草的作战计划，发现与署名“刘福”的电报底稿笔迹相同，由此推断出谢士炎为中共秘密工作人员。
谢士炎暴露了，随即被敌特机关逮捕。最初被禁于北京炮局监狱，后被押送南京。
同时被捕的还有：保定绥靖公署军法处少将副处长兼河北省政府机要秘书丁行，第十一战区司令部参谋处少校参谋兼作战科科长朱建国，第十一战区司令部二处少校情报参谋石淳，北平空军第二军区司令部上尉情报参谋赵良璋。
蒋介石对于破获这次案件极其震惊，严令彻查此案。
在狱中，谢士炎等受到严刑拷打，历经种种折磨，但他们始终坚贞不屈，表现出一个共产党员崇高的革命气节。
谢士炎在狱中凛然正气，与敌人展开了英勇的斗争，他同难友团结战斗，为监狱的同志争取权利。
在谢士炎等同志被捕后，党组织和一些亲友多方实施营救，但是此案由蒋介石亲自过问，营救失败。
1948年11月，东北野战军攻克沈阳，东北全境解放。蒋介石极为惊恐，恼羞成怒，便旧案重提，再次追究搁置了一年多的“谢士炎泄露军机”要案，亲自下达“处决令”。
1948年11月19日，南京城西江东门外国民党中央军人监狱，谢士炎、丁行、朱建国、石淳、赵良璋五位潜伏于国民党内部的谍战英雄被枪杀。
行刑前，五位英雄大义凛然、高喊革命口号，表现了视死如归的革命精神和英雄气概，被称为“北平五烈士”。
行刑前的谢士炎，挥笔写下遗书：“人生自古谁无死，况复男儿失意时。多少头颅多少血，续成民主自由诗。”这首诗成为他弃暗投明、报效祖国的最好见证。
次日的《大公报》报道五烈士牺牲的消息时写道：“行刑前，谢等大声喊闹，声达墙外。”
máo • zhǔ • xí 指出：“解放战争中的情报工作是最成功的。”
战斗在敌人营垒中的谢士炎和他的战友牺牲在黎明前夕，虽然没能看到祖国的解放，但是共和国的旗帜上永远闪烁着烈士们血染的风采！
党和人民没有忘记这些为新中国默默付出的英雄。中华人民共和国成立后，党和国家将五位烈士的遗骨迁至南京雨花台烈士陵园，将他们的英名镌刻在汉白玉石碑上，世世代代为后人所敬仰。