Os Rosenbergs foram executados no pôr-do-sol de 19 de junho de 1953 na prisão de Sing Sing, em Nova Iorque. Seus túmulos se encontram no cemitério Wellwood em Pinelawn, Nova Iorque.A execução foi adiada de sua data original de 18 de junho por que no dia 17 de junho o juiz da Suprema Corte William O. Douglas havia garantido uma paralisação da pena. Tal paralisação se deveu a um recurso de Fyke Farmer, um advogado do Tennessee cujos esforços para salvar os Rosenbergs da morte já haviam sido desprezados pelo advogado do casal.Em 18 de junho a Corte se reuniu em sessão especial para julgar o recurso de Douglas, ao invés de deixar a execução paralisada por meses até que a matéria fizesse seu percurso normal. A Corte não havia se decidido sobre a paralisação de Douglas até o meio-dia de 19 de junho. Assim sendo, a execução foi marcada para o começo da noite do mesmo dia, após o início do Shabat. Em uma jogada desesperada por garantir a vida do casal, o advogado Emanuel Hirsch Bloch, reclamou que isto era uma ofensa à tradição judaica deles, então a execução foi marcada para antes do pôr-do-sol.Testemunhas oculares (conforme depoimentos dados ao documentário de 1982 The Atomic Cafe) descreveram as circunstâncias das mortes dos Rosenbergs; enquanto Julius morreu após a primeira série de choques elétricos, sua esposa não. Após o curso tradicional da sessão de eletrocussão, os enfermeiros retiraram as cintas e outros equipamentos de Ethel para que os médicos determinassem se ela já havia morrido. Os médicos determinaram que ela ainda estava viva, pois seu coração ainda batia. Então foram aplicadas três séries de eletrocussão, o que acabou por resultar numa cena terrível em que uma grande quantidade de fumaça saía da cabeça dela.
