Но «ледяная» потеха не спасла Артемия Петровича, лишь оттянула его арест. Уже в апреле следующего, 1741 года он арестован, а вслед за ним и его окружение – «конфиденты».
Под пыткой все они подтвердили абсурдные обвинения против Волынского: попытку государственного переворота и намерение самому занять российский престол.
Но сам Волынский своей вины не признал. Тем не менее, и он, и его «конфиденты» были приговорены к казни.
Артемий Петрович Волынский принял мученическую смерть. В Петропавловской крепости ему вырезали язык, пытали на дыбе. Казнили жестоко: отрубили правую руку, прежде чем обезглавить. Тело его, вместе с телами других казненных, лежало на эшафоте в течение часа и только потом было похоронено, без церковных обрядов, в ограде церкви Самсона.
Поэт-декабрист Кондратий Рылеев посвятил Артемию Петровичу Волынскому одну из своих дум, которая так и называется – «Волынский»:Не тот отчизны верный сын,
Не тот стране самодержавья
Царю полезный гражданин,
Кто раб презренного тщеславья!
Но тот, кто с гордыми в борьбе
Наград не ждет и их не просит,
И, забывая о себе,
Все в жертву родине приносит.
Сыны Отечества! В слезах
Ко храму древнего Самсона!
Там за оградой, при вратах,
Почиет прах врага Бирона!
Отец семейства! Приведи
К могиле мученика сына;
Да закипит в его груди
Святая ревность гражданина!