眼见自己无法掌权，川岛芳子在公开场合怨言不断，还利用自己的权力释放了一些对日本人不满的铁杆保皇派。其实日本人一直在监视着他，现在发现她有脱离控制的趋势，就将她押往日本。此后，川岛芳子在日本度过了两年半囚禁生活，直到1936年才回到中国。

当时她的老相好田中隆吉正在察哈尔扶持德王，准备一举占领绥远，建立伪政权。川岛芳子和田中隆吉合作，准备使用伪军进攻绥远，很快伪军数万之众被傅作义将军指挥的晋绥军全歼。这次失败后，日本人认为川岛芳子的利用价值不大，开始对她冷处理，将她派回东北负责保护溥仪。在此后的数年中，川岛芳子再也没有得到日本人的重用。

1945年，美国在日本的广岛和长崎投下了两颗原子弹，嚣张一时的日本军阀们再也顽抗不下去了，只好宣布投降。无路可逃的川岛芳子则从东北逃亡到了北平，企图蒙混过关。1945年10月，川岛芳子在北平东四九条胡同34号宅院被军统特工逮捕，并以汉奸罪名提起了公诉。

据说被抓捕的时候川岛芳子还没有起床，当她被戴上手铐那一刻，脸上露出了恐惧的神情。作为第一号女汉奸，被捕后立即被送往北平监狱，她得到的待遇还算不错，不仅被单独关押，伙食也比一般囚犯要好。1947年10月22日，川岛芳子被军事法庭以汉奸罪和叛国罪判处死刑。当时的川岛芳子已经没有以往的威风，她一再表示自己虽然是中国人，但早已加入日本国籍，不是汉奸，因此提出上诉。

当时著名的汉奸李香兰已经由她的父母作证，证明李香兰虽然出生在东北，但却是日本人，因此被国民党政府释放，驱逐出境。川岛芳子也想东施效颦，给自己找条生路。然而她无耻的养父川岛浪速早就对她没有任何感情，没有提供证明其日籍身份的书面材料，还揭发了川岛芳子是肃亲王的后代，幼年才为自己所收养。法庭由此认定川岛芳子不是日本人，维持了原判。

1948年3月25日，北平第一监狱中，川岛芳子身穿旗袍被押赴刑场。行刑官让她跪下，然后问她:“你还有什么说的没有？”她眼露凶光，大喊道:“天不助我，天不助我啊！”随后一名宪兵对准她的头部开了一枪。由于步枪的威力极大，川岛芳子的头部被打穿，血流满面。而就是因为血污遮住了脸孔，在照片上无法看清楚川岛芳子的本来面目，所以后来有传闻说川岛芳子并没有死，死的是一个替身。

其实仔细琢磨下，这种可能性微乎其微，川岛芳子在被处决前已经多次验明正身，被处决后又公开尸体让记者拍照。如果死的不是川岛芳子本人，又何必将尸体公开示众呢?而且当时日本人已经投降，川岛芳子的家族也落魄不堪，根本没有人再去管她的死活，谁又会冒着这么大的风险去救她呢?