Последние месяцы своей жизни Великая Княгиня провела в заключении в школе на окраине города Алапаевска вместе с Великим Князем Сергеем Михайловичем, его секретарем — Феодором Михайловичем Ремезом, тремя братьями — Иоанном, Константином и Игорем (сыновьями Великого Князя Константина Константиновича) и князем Владимиром Палеем. Конец был близок. Матушка-настоятельница готовилась к исходу, посвящая все время молитве.

Сестер, сопровождавших свою настоятельницу, привезли в Областной совет и предложили им идти на свободу. Обе умоляли вернуть их к Великой Княгине. Тогда чекисты стали пугать их пытками и мучениями, которые предстоят всем, кто останется с ней. Варвара Яковлева сказала, что готова дать подписку даже своей кровью, что желает разделить судьбу св. Елисаветы. Так крестовая сестра Марфо-Мариинской обители Варвара Яковлева сделала свой выбор и присоединилась к узникам, ожидавшим решения своей участи.

В ночь на 5/18 июля, когда совершается память преподобного Сергия Радонежского, св. Елисавету вместе с другими узниками отвезли на заброшенный железный рудник в 18 км от Алапаевска, где стали избивать прикладами и сбрасывать в шахту. Первой столкнули в яму Великую Княгиню, которая крестилась и громко молилась: "Господи, прости им, не ведают бо, что творят!" Князь Сергий стал бороться с палачами, и они застрелили его; всех прочих сбросили в шахту живыми. Затем чекисты начали бросать в шахту ручные гранаты, от разрыва которых погиб только один мученик — Феодор Ремез. Остальные мученики умерли в страшных страданиях от голода, жажды и тяжелых увечий. Св. Елисавета упала не на дно шахты, а на выступ, который находился на глубине 15 метров. Рядом с ней нашли тело Иоанна Константиновича с перевязанной головой: сама изнемогая от боли, св. Елисавета и здесь стремилась облегчить страдания ближнего — сделала в темноте перевязку, употребив свой апостольник. Две гранаты упали рядом со св. Елисаветой, но не разорвались: Господь сохранил тело Своей угодницы. Один крестьянин, бывший свидетелем убийства, слышал, как из глубины шахты донеслась Херувимская песнь, которую пели страдальцы перед переходом в вечность.

Перевозом останков мучеников занимался отец Серафим, игумен Алексеевского скита Пермской епархии, друг и духовник Великой Княгини. Сразу после октябрьской революции о. Серафим был в Москве, беседовал со св. Елисаветой и приглашал ее поехать с ним в Алапаевск, где, по его словам, были надежные люди в скитах, которые сумели бы укрыть и сохранить Великую Княгиню. Св. Елисавета отказалась скрываться, но в конце беседы сказала: "Если меня убьют, то прошу вас, похороните меня по-христиански". Слова эти оказались пророческими.

Перевозка тел заняла много месяцев. Когда поезд с гробами мучеников прибыл в Китай, в Харбин, тела всех Алапаевских страдальцев были в состоянии полного разложения, кроме тел преподобномучениц Елисаветы и Варвары. Князь Н. А. Кудашев, вызванный в Харбин для опознания убитых и составления протокола, вспоминает: "Великая Княгиня лежала, как живая, и совсем не изменилась с того дня, как я перед отъездом в Пекин прощался с нею в Москве, только на одной стороне лица был большой кровоподтек от удара при падении в шахту".

Из Китая, по желанию родственников св. Елисаветы, ее останки вместе с останками преподобномученицы Варвары в 1921 г. были перевезены в Иерусалим, где их погребение совершил патриарх Дамиан в сослужении многочисленного духовенства. Гробы новомучениц были помещены в усыпальнице храма святой равноапостольной Марии Магдалины в Гефсимании.

В 1981 г. Русская Православная Церковь Заграницей, возглавляемая святителем митрополитом Филаретом (Вознесенским; † 1985) прославила Собор Новомучеников и Исповедников Российских, и в их числе — святых преподобномучениц Елисавету и Варвару. Вскрытие гробниц новомучениц было совершено за несколько месяцев до прославления. Когда открыли гроб с телом св. Елисаветы, то помещение наполнилось благоуханием — по словам свидетелей, это был "сильный запах как бы меда и жасмина". Мощи новомучениц оказались частично нетленными. Кисть руки св. Елисаветы и рука св. Варвары были привезены на прославление Собора Новомучеников и Исповедников Российских в Нью-Йорк. Их мощи были единственными мощами новомучеников, вывезенными за пределы России. Было решено совершить торжественное перенесение мощей новомучениц из усыпальницы, где они до этого находились, в самый храм святой Марии Магдалины, что и произошло 2 мая 1982 г. — в праздник святых жен-мироносиц. За богослужением употреблялись святой потир, Евангелие и воздухи, преподнесенные храму Великой Княгиней Елисаветой Феодоровной, когда она была здесь в 1886 г. Память святых Елисаветы и Варвары совершается 5/18 июля.