兵敗后的郭松齡率機要人員和衛隊離開新民，向錦州方向撤退。與之同行的夫人韓淑秀顧及到郭松齡的安全，勸郭松齡率衛隊騎馬先行，盡快離開險地。但郭松齡念及韓淑秀不會騎馬，不想扔下患難與共的夫人，就放棄了騎馬。

郭松齡等人化裝成農民坐著騾車，走出新民縣約20里，遭到奉軍王永清騎兵旅的追擊，衛隊戰敗，郭松齡夫婦藏在農家的菜窖內被搜捕出來。 24日下午，王永清將逮捕郭的消息報告給騎兵旅長穆春，并將郭氏夫婦押解到老達房燒鍋院內，等待奉天的命令。張作霖聽到消息后，欣喜若狂，在電話中向穆春說：“把郭鬼子給我送奉天來，我要親自槍斃他。”放下電話后，想了想，又把電話打過去：“把郭鬼子給我看好，我這邊派人去取他，我要親自審問他為什么反我。”

25日晨，張作霖派出衛隊團長高金山去押解郭松齡，但隨后不久，張作霖又下達了“將郭氏夫婦就地槍決”的命令。史料記載，楊宇霆擔心夜長夢多，張學良會出手相救，便向張作霖進言即殺郭松齡，以絕后患。

1925年12月25日上午10時，高金山將郭松齡夫婦押到離老達房5里許的地方槍殺。臨刑前，郭松齡面不改色，對東三省人民留下遺言：“吾倡大義，出賊不濟，死固分也;后有同志，請視此血道而來”！夫人韓淑秀也從容不迫地說：“夫為國死，吾為夫死，吾夫婦可以無憾矣，望汝輩各擇死所！”當高金山下達開槍命令時，韓淑秀滿懷深情地看著郭松齡說：“茂宸，我要你放心地看著我先走，來吧，先打死我。”

此時，郭松齡42歲，韓淑秀35歲。

郭松齡被捕時，王永清曾電告張學良。張學良得知高金山受命押解郭氏夫婦，擬電令高金山將郭押解到軍團部，想救郭松齡一命，送他出國留學。但電未發出，即接高金山電話，告張已將郭處決。張學良得到郭松齡被處死的消息后，痛惜地說：“如郭不走，決不致死。”

郭氏夫婦被害后，張作霖命令將郭氏夫婦的尸體運回奉天，在小河沿體育場曝尸三日示眾，并將遺體拍成照片各處張貼，傳示東三省各市、各縣，懲一儆百。當時小河沿圍觀群眾數以千計。

郭氏夫婦死后，因父母、弟弟和繼子逃難在外，遺體由親友代為裝棺，暫厝于小東門外珠林寺。“九一八”事變后，其家屬才把郭氏夫婦安葬在家鄉附近，1948年，由其繼子郭鴻志移葬于沈陽東陵區七間房墓地。

張學良對郭松齡夫婦的死很是惋惜。1926年，張學良給饒漢祥的信中說：“良與茂宸共事七年，誼同骨肉，其去冬舉事魯莽……良事前不能察防，事敗不能援手。回憶前塵，曷極方事之殷，良惟自愧。”后來，每當張學良遇到難辦的事，就感嘆說：“有茂宸在，哪用我為這份難？”1981年，“九一八”事變50周年之際，張學良回顧往事仍扼腕長嘆說：“如果當時郭松齡在，日本人就不敢發動‘九一八’事變”。這是張學良對郭松齡軍事才能的一種充分肯定，也是對良師益友郭松齡的深切緬懷。