同年冬，元军大举来攻，文天祥在率部向海丰撤退的途中遭到元将张弘范的攻击， 1279年兵败被俘。受俘期间，元世祖以高官厚禄劝降，文天祥宁死不屈，与陆秀夫、张世杰被称为“宋末三杰”。文天祥服毒自杀未遂，被张弘范押往崖山，让他写信招降张世杰。文天祥说："我不能保护父母，难道还能教别人背叛父母吗?"张弘范不听，一再强迫文天祥写信。

文天祥于是把自己前些日子所写的《过零丁洋》一诗抄录给张弘范。张弘范读到"人生自古谁无死，留取丹心照汗青"两句时，不禁也受到感动，不再强逼文天祥了。从此，文天祥在监狱中度过了三年。狱中的生活很苦，可是文天祥强忍痛苦，写出了不少诗篇。《指南后录》第三卷、《正气歌》等气壮山河的不朽名作都是在狱中写出的。

元世祖至元十九年(1282)三月，权臣阿合马被刺，元世祖下令籍没阿合马的家财、追查阿合马的罪恶，并任命和礼霍孙为右丞相。和礼霍孙提出以儒家思想治国，颇得元世祖赞同。八月，元世祖问议事大臣："南方、北方宰相，谁是贤能?"群臣回答："北人无如耶律楚材，南人无如文天祥。"于是，元世祖下了一道命令，打算授予文天祥高官显位。

文天祥的一些降元旧友向文天祥通报了此事，并劝说文天祥投降，但遭到文天祥的严词拒绝。十二月八日，元世祖召见文天祥，亲自劝降。文天祥对元世祖仍然是长揖不跪。元世祖也没有强迫他下跪，只是说："你在这里的日子久了，如能改心易虑，用效忠宋朝的忠心对朕，那朕可以在中书省给你一个位置。"

文天祥回答："我是大宋的宰相。国家灭亡了，我只求速死。不当久生。"元世祖又问："那你愿意怎么样?"文天祥回答："但愿一死足矣!"元世祖十分气恼，于是下令处死文天祥。次日，文天祥被押解到菜市口刑场。监斩官问："丞相还有甚么话要说?回奏还能免死。"

文天祥喝道："死就死，还有甚么可说的?"他问监斩官："哪边是南方?"有人给他指了方向，文天祥向南方跪拜，说："我的事情完结了，心中无愧了!」于是引颈就刑，从容就义。死后在他的衣带中发现一首诗："孔曰成仁，孟曰取义，唯其义尽，所以仁至。读圣贤书，所学何事?而今而后，庶几无愧。"文天祥死时年仅四十七岁。