12 Mart darbesinin ilk günlerinde Yusuf Aslan ile birlikte Sivas'a gitmekte iken motosikletleri bozuldu. Bir ihbar sonucu polislerin gelmesi üzerine çıkan çatışmada Aslan ile birbirlerini kaybettiler. Aslan o esnada, Gezmiş ise 16 Mart 1971 salı günü Sivas'ın Gemerek ilçesinde yakalandı ve Kayseri'ye getirildi. Buradan Ankara'ya zamanın İçişleri Bakanı Haldun Menteşoğlu'nun makamına götürüldü.
Mahkemesi 16 Temmuz 1971 günü Altındağ Veteriner Okulu binası'nda Tuğgeneral Ali Elverdi başkanlığında Baki Tuğ savcılığında Ankara Sıkıyönetim Komutanlığı 1 no'lu Mahkemesi'nde başladı ve 9 Ekim 1971 günü bitti. Deniz ve arkadaşları 16 Temmuz 1971'de başlayan THKO-1 Davası'nda TCK'nin 146. maddesini ihlal ettiği gerekçesiyle, 9 Ekim 1971'de idam cezasına çarptırıldı.
İdam cezaları o zamanlar senato tarafından onaylanmak zorundaydı. İsmet İnönü "siyasi suçlar idamla cezalandırılmamalıdır" diyerek Bülent Ecevit ile birlikte red oyu kullanır. AP genel başkanı Süleyman Demirel ise infazdan yana oy kullanır. Olaydan 15 yıl sonra, Süleyman Demirel bir gazeteciye verdiği demeçte idamlar için:soğuk savaşın talihsiz olaylarından biri yorumu yapar. Cumhurbaşkanı Cevdet Sunay ise idamları onaylayarak özür dilemeyi reddeder.[1]
İdam edilmeden önce Alman Der Spiegel dergisinde çıkan son yazısında "Yaşasın Marksizm-Leninizmin yüce ideolojisi! Yaşasın Türk ve Kürt halklarının kardeşliği ve bağımsızlık mücadelesi! Kahrolsun Emperyalizm!" dediği belirtildi.[2]
Yusuf Aslan ve Hüseyin İnan ile birlikte 6 Mayıs 1972 tarihinde, gece 1:00-3:00 arası, Ankara Merkez Kapalı Cezaevi'nde idam edildi. İdama giderken imam istemedikleri bilinmektedir, fakat definlerinde bir imam bulunmuştur.[3]