张志新继续在批斗会上坚持自己的观点。她对中共的一片忠心，“党”能接受她的意见和批评吗？
党的态度很明确：不接受。不但不接受，反而要封张志新的口。很快，中共当局就给她扣上了“现行反革命”的帽子。1969年9月24日，张志新正式被逮捕，关进了监狱。
在监狱的日子里，张志新遭受了非人的折磨。白天，张志新被强迫参加劳动，晚上别人休息的时间，她是被批斗。当时，监狱警察要求她交代对毛泽东、江青还有文革的看法。张志新就写下了《一个共产党员的宣言》。据《炎黄春秋》刊登的《张志新殉难三十周年祭》记载：“她在《一个共产党员的宣言》中写道：‘我为党和国家的前途担忧，我不是反革命，我们从来主张讲老实话讲真话，我越来越感到我没有错。’”……
监狱的回应就是更严厉的折磨。狱警用铁丝钳住她的舌头和嘴巴，用拖布往她嘴里面塞，让她背着18斤重的铁锤，还给她戴上沉重的脚镣。不光如此，省里的中共官员还多次殴打她，这些人甚至毫无人性的拔她的头发，最后，头发几乎都被拔光了。在当时的疯狂政治气氛下，中共官员已经没有了基本的人性，他们令人发指的教唆男犯人轮奸张志新。为了不让自己被强奸，张志新用大便抹在自己身上进行保护。监狱不许张志新和家人见面，用这种精神孤立的方式折磨她。
她想到了自杀。她偷偷给丈夫、亲人写下遗书。很快，遗书被发现了，监狱召开批斗会批判她，说她是“以死向党示威对抗运动”，并对她加强了监视。监狱发觉张志新还有丈夫家人这个心灵上的依靠，逼他的丈夫跟她离婚。很快，法院下达的离婚判决书被送到张志新手里，没想到，张志新平静地说：“离不离婚，对我来说已没有什么意义了。”
张志新早就下定决心坚决不认罪。她觉得丈夫提出离婚，正好可以不牵涉家人，她反而没有牵挂了。
1970年5月，张志新被中共的法院以“反对毛泽东、反对江青、为刘少奇翻案”的罪名判处了死刑。当时接收张志新案件的辽宁省高级人民法院的军管所把张志新的案子给一处副处长高振忠审。高振忠说：“张志新是动口不动手的，不搞破坏的。在组织会议上，党员在党的会议上发表自己的看法，构成犯罪吗？要判张志新劳改。”所以他就考虑判两年以上有期徒刑，经过研究得到了认可。可是在誊抄审判意见稿时却把刑期改成了15年。
当时，张志新正写信反映监狱长酷刑折磨自己的暴行。她写了一封很长的信，信里边说：“你们管理领导下的伙房，可以用带有煤渣沙子的黄馍虐待政治犯！你这 个一所之长，却推脱责任，回避问题，逃之夭夭！ ……一所之长竟用拖压办法，不发给女政治犯特需手纸，进行生活上的刁难 ！……你们若是无产阶级，你们为什么那么怕真理！没听说无产阶级、共产党的专政机关殴打犯人、辱骂犯人，生活上虐待犯人、刁难犯人！你们所作所为是哪个 ‘无产阶级’？”
其实张志新已经有点动摇了。她在监狱里不断思考，意识到，毛泽东造成了这一切。张志新开始在监狱里喊出“打倒毛泽东”的口号。这件事在当时非同小可，惊动了沈阳军区司令员陈锡联。经过反复商量，他拍板说：“留个活口，当反面教员，不杀为好”。就这样改判张志新无期徒刑，被投入沈阳监狱。张志新在监狱里受到非人的身心摧残，她精神失常了。
1973年11月16日这天，监狱让所有的犯人参加批林批孔大会。当报告人批判林彪推行“极右路线”时，精神已失控的张志新突然站起来大喊：“中共极右路线的总根子是毛泽东！” 她没想到，这一句话，结束了她6年生不如死的监禁。
张志新被判了处死刑。 1975年初春的一天， 沈阳法院来人通知张志新的丈夫和两个孩子到县城开会， 说是给他们三个人办“学习班”。 在学习完《毛泽东语录》后，法院的人开始问孩子：“你知道你妈妈在监狱中的表现吗？”孩子惊慌失措、一脸茫然。
法院的人大声对孩子说：“你妈妈非常反动，不接受改造，顽固不化，反对伟大领袖毛主席，反对战无不胜的毛泽东思想，反对毛主席的无产阶级革命路线，罪上加罪，政府考虑加刑。如果处以极刑，你是什么态度？”孩子们吓愣住了，不知道怎样回答。 父亲真曾忙回答说： “如果确实那情况 ，政府怎么处理都行。” 法院的人又问：“处极刑，收不收尸？张志新狱中的东西你们还要不要？”孩子们低着头不敢说话。曾真代孩子们说：“我们什么都不要。”
法院的人拿出写好的一推材料，要家人在上面签字、按手印。这些材料是强迫孩子承认妈妈是反革命，要和她划清界限。儿子吓得不敢出声紧紧地抱着父亲。
“学习班”结束后，张志新的丈夫曾真领著孩子顶着呼啸的风雪回到家。他把家里仅剩的一个窝窝头掰成两半分给孩子吃，然后就让孩子睡觉了。接着，他自己翻出张志新的照片看，他情不自禁地哭了出来，孩子们听到了哭声后 ，先后扑进曾真的怀里大哭， 吓得曾真赶紧让孩子们小点声。这一夜，一家三口不知流了多少泪……那一年，儿子彤彤不满10岁，而女儿林林还不到18岁。
中共解决了张志新的家里人以后，很快就开始对张志新下手了。1975年2月27日 ，中共辽宁省委常委开会讨论张志新的案情报告，这时的主事者毛远新说：“死心塌地，多活一天，多搞一天反革命，杀了算了。”就这样，张志新就被中共判处了死刑。
当时，监狱有人写材料证明张志新已经精神失常，狱警如实上报。可是，中共当局说，张志新是“装疯卖傻”。行刑前几天，张志新被关在一个只能坐、不能躺、不能站的“小号”里，精神失常更加严重了。张志新的妹妹张志勤后来说：“后来张志新在监狱里还脱光了衣服，狱方找了几个女的进去才给她穿上衣服。而且她还在床上大小便、 甚至还用馒头沾着经血吃 。”
1975年4月4日是中共对张志新执行枪决的日子。为了不让张志新临行前喊口号，上午10 点 12分，几个大汉把张志新按倒在地上，在她的脖子后面垫了一块砖头，不打麻药不消毒，直接用刀子割断张志新的喉管。鲜血一下子喷溅出来，张志新痛苦的挣扎着，在疼痛难忍中咬断了自己的舌头。 旁边有一位女管教员看到这个场面，吓得惨叫一声，昏厥在地上。 张志新被枪决了，在她的刑场执行记录里只有寥寥8个字“弹中头部一枪击毙”。这一年，张志新45岁。
张志新被执行枪决后，中共找到她的丈夫曾真，说需要缴纳击毙张志新的子弹费。
关于张志新的遗体下落一事，据多维新闻的一篇文章《毛远新的罪恶：割喉枪决张志新内幕》中描述：“当年收到的大量读者来信中，其中两封谈到张志新遗体的下落。一封说，张志新的尸体被沈阳医学院附属医院用汽车运走，放在水泥池子里，用药水泡上，做病理解剖实用。另一封来自辽宁中医院，信中说张志新被杀害后，尸体被拉回沈阳，‘把她剖腹挖心，取得内脏’后才火化，‘这是千真万确的’ ”。
