روز قبل از اعدام، خليفه با بزرگان دربارش مشورت كرد كه چگونه بابك را در شهر بگرداند و به مردم نشان بدهد تا همه بتوانند وي را ببينند. بنا بر نظر يكي از درباريان قرار برآن شد كه وي را سوار بر پيلي كرده در شهر بگردانند. پيل را با حنا رنگ كردند و نقش و نگار برآن زدند؛ و بابك را در رختي زنانه و بسيار زننده و تحقيركننده برآن نشاندند و در شهر به گردش درآوردند. پس از آن مراسم اعدام بابك با سروصداي بسيار زياد با حضور شخص خليفه بر فراز سكوي مخصوصي كه براي اين كار در بيرون شهر تهيه شده بود، برگزار شد. براي آنكه همه‌ي مردم بشنوند كه اكنون دژخيم به بابك نزديك مي شود و دقايقي ديگر بابك اعدام خواهد شد، چندين جارچي در اطراف و اكناف با صداي بلند بانگ ميزدند نَوَد نَوَد اين اسمِ دژخيم بود و همه او را مي شناختند. ابن الجوزي مي نويسد كه وقتي بابك را براي اعدام بردند خليفه در كنارش نشست و به او گفت: تو كه اين همه استواري نشان مي دادي اكنون خواهيم ديد كه طاقتت در برابر مرگ چند است! بابك گفت: خواهيد ديد. چون  يك دست بابك را به شمشير زدند،  بابك با خوني كه از بازويش فوران مي كرد صورتش را رنگين كرد. خليفه از او پرسيد: چرا چنين كردي؟ بابك گفت: وقتي دست هايم را قطع كنند خون هاي بدنم خارج مي شود و چهره‌ام زرد مي شود، و تو خواهي پنداشت كه رنگ رويم از ترسِ مرگ زرد شده است. چهره‌ام را خونين كردم تا زرديش ديده نشود. به اين ترتيب دست ها و پاهاي بابك را بريدند. چون بابك بر زمين  درغلتيد، خليفه دستور داد شكمش را بدرد. پس از ساعاتي كه اين حالت بر بابك گذشت، دستور داد سرش را از تن جدا كند. پس از آن چوبه‌ي داري در ميدان شهر سامرا افراشتند و لاشه‌ي بابك را بردار زدند و سرش را خليفه به خراسان فرستاد.

آخرين گفتار بابک ( به نوشته کتاب حماسه بابک اثر نادعلي همداني )

چنين بوده است:

تو اي معتصم خيال مکن که با کشتن من فرياد استقلال طلبي ايرانيان را خاموش خواهي کرد من لرزه اي بر ارکان حکومت عرب انداخته ام که دير يا زود آن را سرنگون خواهد نمود.

تو اکنون که مرا تکه تکه مي کني هزاران بابک در شمال و شرق و غرب ايران ظهور خواهد کرد و قدرت پوشالي شما پاسداران جهل و ستم را از ميان بر خواهد داشت! اين را بدان که ايراني هرگز زير بار زور و ستم نخواهد رفت و سلطه بيگانگان را تحمل نخواهد کرد من درسي به جوانان ايران داده ام که هرگز آنرا فراموش نخواهند کرد. من مردانگي و درس مبارزه را به جوانان ايران آموختم و هم اکنون که جلاد تو شمشيرش را براي بريدن دست و پاهاي من تيز مي کند صدها ايراني با خون بجوش آمده آماده طغيان هستند مازيار هنوز مبارزه مي کند و صدها بابک و مازيار ديگر آماده اند تا مردانه برخيزند و ميهن گرامي را از دست متجاوزان و يوغ اعراب بدوي و مردم فريب برهانند.

اما تو اي افشين... در انتظار

و بدين سان نخست دست چپ بابک بريده شد و سپس دست راست او و بعد پاهايش و در نهايت دو خنجر در ميان دنده هايش فرو رفت و آخرين سخني که بابک با فريادي بلند بر زبان آورد اين بود: "پاينده ايران"

روز اعدام بابک خرمدين و تکه تکه  کردن بدنش در تاريخ 2  صفر سال 223 هجري قمري انجام گرفت که مسعودي در کتاب مشهور مروج الذهب اين تاريخ را براي ايرانيان بسيار مهم دانسته است اعدام بابك چنان واقعه‌ي مهمي تلقي شد كه محل اعدامش تا چند قرن ديگر بنام  خشبه‌ي بابك  يعني چوبه‌ي دار بابك در شهرِ سامرا كه در زمان اعدام بابك پايتخت دولت عباسي بود شهرت همگاني داشت و يكي از نقاط مهم و ديدني شهر تلقي مي شد.

برادر بابك يعني آذين را نيز خليفه به بغداد فرستاد و به نايبش در بغداد دستور نوشت كه او را مثل بابك اعدام كند. طبري مي نويسد كه وقتي دژخيمْ دست ها و پاهاي برادر بابك را مي‌بُريد، او نه واكنشي از خودش بروز مي داد و نه فريادي برمي‌آورد. جسد اين مرد را نيز در بغداد بر دار كردند. (تاريخ ايران - دکتر خنجي)

معتصم  خليفه عباسي، چنانکه نظام الملک در سياست نامه خود مي نويسد به شکرانه آنکه سه سردار مبارز ايراني، بابک، مازيار و افشين رو که هر سه آن ها به حيله اسير شده بودند به دار آويخته بود، مجلس ضيافتي ترتيب داده بود که در طول آن 3 بار پياپي مجلس را ترک گفت و هربار ساعتي بعد برمي گشت. در بار سوم در پاسخ حاضران که جوياي علت اين غيبت ها شده بودند فاش کرد که در هر بار به يکي از دختران پدر کشته اين سه سردار تجاوز كرده است و حاضران با او از اين بابت به نماز ايستادند و خداوند را شکر گفتند. (تولدي ديگر - شجاع الدين شفا).