Το απόγευμα της 27ης Αυγούστου του 1922, ενώ ο Τουρκικός Στρατός ήλεγχε πλέον πλήρως την Σμύρνη, ένας Ιταλός καθολικός ιερέας ενημέρωσε τους Γάλλους σχετικά με τον θανάσιμο κίνδυνο που διέτρεχε ο Χρυσόστομος.
Πολύ σύντομα μια γαλλική περίπολος, αποτελούμενη από 20 ναύτες, κατέφθασε στην Μητρόπολη, την Αγία Φωτεινή, με σκοπό να φυγαδεύσει τον Χρυσόστομο. Οι Γάλλοι ζήτησαν από τον Μητροπολίτη να τους ακολουθήσει είτε στο προξενίο τους είτε στην καθολική εκκλησία της Sacre Coeur (Καρδιά του Ιησού). Εκείνος όμως αρνήθηκε τονίζοντάς τους ότι το καθήκον του υπαγόρευε να παραμείνει με το ποίμνιό του, «ως καλός ποιμένας», όπως χαρακτηριστικά δήλωσε.
Λίγο αργότερα, κατά τις 19.30, κατέφθασε ένας Τούρκος αξιωματικός, ο οποίος συνοδευόταν από δύο στρατιώτες. Οδήγησαν τον Χρυσόστομο στην πλατεία Διοικητηρίου, μαζί με δύο από τα πλέον εξέχοντα πρόσωπα της Σμύρνης: τον δημογέροντα Γεώργιο Κλιμάνογλου και τον νομικό Νικόλαο Τσουρουκτσόγλου, εκδότης της γαλλόφωνης εφημερίδας «La Reforme».
Η γαλλική περίπολος ακολούθησε τον μητροπολίτη, ο οποίος βρισκόταν ήδη ενώπιον του Νουρεντίν πασά. Ο τελευταίος έδωσε εντολή να εκτελεστούν οι δύο δημογέροντες. Ακολούθως απευθύνθηκε στον Χρυσόστομο λέγοντάς του: «Εμείς, θα τα βρούμε μαζί». Και συνέχισε, εξυβρίζοντάς τον χυδαία και κατηγορώντας τον για την φιλελληνική του στάση και τις ενέργειές του εναντίον του Τουρκικού έθνους. Κατόπιν του ανακοίνωσε ότι το «επαναστατικό δικαστήριο της ανεξαρτησίας», στην Αγκυρα, είχε ήδη αποφασίσει την καταδίκη του σε θάνατο.
Επειτα, ο Τούρκος αξιωματούχος κατευθύνθηκε προς το μπαλκόνι του κτηρίου, απ’ όπου αντίκρισε, στην πλατεία Διοικητηρίου, τη θέα μαινόμενου πλήθους, 1.500 περίπου Τούρκων, στους οποίους απηύθυνε τα παρακάτω λόγια, δείχνοντας συγχρόνως τον Χρυσόστομο: «Αν καλό σας έκανε τούτος να του το ανταποδώσετε. Αν κακό σας έκανε, κάντε του και εσείς κακό! Εγώ σας παραδίδω τον χιρσίζ ντομούζ (κλεφτογούρουνο). Το μαρτύριο του σεπτού ιεράρχη είχε μόλις αρχίσει.
Ο Τουρκικός όχλος, τελώντας σε έξαλλη κατάσταση, παρέλαβε τον Χρυσόστομο. Επιτέθηκε εναντίον του κτυπώντας τον με γροθιές, λοστούς και ξύλα και τον οδήγησαν σε ένα κουρείο, όπου τον ανάγκασαν να φορέσει μια λευκή μπλούζα.
Στην συνέχεια, του ξερίζωσαν τη γενειάδα και τον έσυραν στην τουρκική συνοικία, προπηλακίζοντας και πτύνοντάς τον. Εκεί του επεφύλαξαν έναν αργό και βασανιστικό θάνατο: τον μαχαίρωσαν σε πολλά σημεία του σώματος του, εξόρυξαν τους οφθαλμούς του και του έκοψαν τα αυτιά και την μύτη.
Στο μαρτύριο του μητροπολίτη παρευρέθηκαν και οι 20 Γάλλοι ναύτες, την αντίδραση των οποίων περιέγραψε ο Γάλλος συγγραφέας Ρενέ Πουώ: «Η γαλλική περίπολος παρακολουθούσε… Οι Γάλλοι ναύτες «είχαν βγει από τα ρούχα τους». Χωρίς υπερβολή, έτρεμαν από αγανάκτηση και αποφάσισαν να επέμβουν. Ο επικεφαλής αξιωματικός τους, όμως, ακολουθώντας τις διαταγές που είχε, με το περίστροφο στο χέρι, τους εμπόδισε να κάνουν οποιαδήποτε κίνηση….
Δεν ξαναείδαμε τον Χρυσόστομο, που τον αποτελείωσαν σε μικρή απόσταση». Σύμφωνα με μια εκδοχή, ένας Τούρκος πυροβόλησε τον μητροπολίτη δύο φορές στο κεφάλι, δίνοντας τέλος στο μαρτύριό του. Κανείς δεν κατόρθωσε να πληροφορηθεί τι απέγινε – ότι απέμεινε από το κατακρεουργημένο σώμα του Χρυσοστόμου. Φημολογείται, ωστόσο ότι κατέστη δυνατό να ενταφιαστεί στο γήπεδο του Απόλλωνα.
Τραγικό υπήρξε και το τέλος των δυο δημογερόντων που τον συνόδευαν. Ο Γεώργιος Κλιμάνογλου απαγχονίσθηκε. Τον Νικόλαο Τσουρούκτσογλου, αφού τον έδεσαν από τα πόδια σε ένα αυτοκίνητο, τον περιέφεραν στο κέντρο της Σμύρνης, ενώ το κεφάλι του συρόταν στα λιθόστρωτα καλντερίμια.
Το 1992, η Διαρκής Ιερά Σύνοδος της Εκκλησίας της Ελλάδας ανακήρυξε τον Χρυσόστομο Αγιο, ύστερα από πρωτοβουλίες που αναλήφθησαν από την «Ενωση Σμυρναίων» της Αθήνας. Η μνήμη του εορτάζεται και τιμάται από την Ορθοδοξία στις 27 Αυγούστου.
