Maar de Duitse contraspionage zit Gabrielle Petit dicht op de hielen. In juni 1915 was ze reeds een eerste keer opgeleid, maar bij gebrek aan bewijzen vrijgelaten. De Duitsers houden haar verder in de gaten en het hoofd van de Duitse contraspionage te Brussel, luitenant Bergan, had twee van zijn beste politie-officieren Petermann en Pinkhof op haar spoor gebracht. Een half jaar later, op 20 januari 1916, loopt ze in de val die de Duitsers voor haar hadden opgezet. Een Duitser die zich voordeed alsof hij uit Nederland kwam was het die haar ontmaskerde. Hij veinsde dat hij Belgische jongens wou helpen die zich via het neutrale Nederland wilden aansluiten bij het Belgisch leger achter de IJzer en overhandigde haar tevens plannen waarop de installatie van Duits geschud was op aangeduid. Diezelfde avond nog werd ze op straat aangehouden en gefouilleerd. Ze bleek in het bezit te zijn van een kleine capsule die haar rapport voor de inlichtingendiensten bevatte.

Gabrielle wordt gearresteerd opgesloten in de gevangenis van Sint-Gillis. Ontkennen had geen zin meer. Ze wordt voortdurend ondervraagd en gefolterd maar weigert de namen van andere verzetsleden vrij te geven. In haar cel in de gevangenis van Sint-Gillis houdt ze zich sterk. Ze had misschien aan executie kunnen ontkomen en zich eruit kunnen praten. Als ze namen had genoemd van andere leden van "La Dame Blanche" en andere inlichtingenetwerken, zou ze haar vel gered hebben. Maar ze bleef zwijgen.

Begin maart wordt haar proces aangevat met Ströber als krijgsauditeur. Tijdens het proces gedroeg Gabrielle zich zo opstandig dat de haar toegewezen advocaat (die toch al zo weinig voor haar kon doen) er wanhopig van werd. Reeds op 2 maart 1916 valt het verdict: de dood met de kogel. Ze weigert een genadeverzoek in te dienen. Op 1 april 1916 is het zover. Moedig staande voor het vuurpeleton weigerde ze een blinddoek: "Pas de bandeau. Beau jour pour mourir, le dernier jour du mois de Saint-Joseph." Op de sokkel van haar standbeeld op het Sint-Jansplein staan haar laatste woorden gebeiteld: "Je leur montrerai comment une femme Belge sait mourir." [vrij vertaald: "Ik zal hen tonen dat een Belgische vrouw weet hoe ze hoort te sterven."] Aldus, op 1 april 1916 exact eenennegentig jaar geleden, fusilleerde het Duitse leger de Belgische spionne en verzetsstijdster Gabrielle Petit op de Nationale Schietbaan in Brussel. Ze was amper 23 jaar oud.

Generaloberst Freiherr von Bissing, de Duitse bestuurder van het bezette België, deed daarover de volgende mededeling: "BEKENDMAKING - Bij vonnis van 2 Maart 1916 van een Veldkrijgsraad is Gabriella Petit, verkoopster te Molenbeek, wegens krijgsverraad bestaande in verspieding, ter dood veroordeeld. Beschuldigde Petit heeft naar eigen bekentenis tegen goede bezoldiging een dienst van verspieding op den spoorweg ingericht en gedurende verscheidene maanden de inlichtingen, door hare bespieders aangebracht, aan de vijandelijken inlichtingendienst overgemaakt. Het vonnis tegen haar uitgesproken is voltrokken. Brussel, den 1e April 1916."

Zolang de oorlog duurde werd aan haar terechtstelling geen ruchtbaarheid gegeven. Het lichaam van Gabrielle was gedumpt in een snel gegraven put op de Schietbaan. In tegenstelling tot Edith Cavell, van wie de executie in alle kranten stond en tot ver over de grenzen verontwaardiging wekte, kwam de terechtstelling van Gabrielle Petit pas na de oorlog in het nieuws. Toen groeide ze uit tot een icoon van patriottische zelfopoffering en moed, tot een martelaar voor het vaderland. In mei 1919 werd ze als eerbetoon herbegraven op het kerkhof in Schaarbeek, in aanwezigheid van koningin Elisabeth, kardinaal Mercier en eerste minister Delacroix.

Op 2 juli 1919 drukte senator Keesen het in het Belgische parlement aldus uit: "Elle nous apparraît comme le type de nos meilleures vertus nationales: fidélité indéficible à nos convictions réligieuses, attachement au pays, esprit de sacrifice, abnégation de fiançée de soldat Belge, amour sacré de la patrie." [vrij vertaald: "Zij komt ons voor als het type van onze beste nationale deugden: nooit aflatende trouw aan haar godsdienstige overtuiging, gehechtheid aan het vaderland, opofferingsgeest, de zelfverloochening van de verloofde van een Belgische soldaat, heilige liefde voor het vaderland."

Na de oorlog werd haar lichaam terug opgegraven en met veel eerbetoon begraven na een dienst in de Koninklijke Saint-Mariekerk te Schaarbeek. De eredienst werd opgedragen door kardinaal Mercier. Er onstond een hele cultus rondom haar persoon. Gabrielle Petit groeide uit tot een ware volksheldin. Elke Belg kende liedjes over haar, toneelstukken en films bezongen haar leven, schoolkinderen moesten examen over haar doen. Haar levensverhaal leverde inspiratie voor tal van boeken, toneelstukken, patriottische gedichten en films, zoals "La Libre Belgique et l'héroique Gabrielle Petit" (1920) van Armand Duplessi en "Femme Belge Gabrielle Petit" (1928) van Francis Martin. Petit kreeg postuum verschillende medailles en eretitels.

In juli 1923 werd onder massale belangstelling door Koningin Elisabeth een Gabrielle Petit-standbeeld onthuld op het Sint-Jansplein te Brussel. Op de afdeling uniformen van het legermuseum in het Brusselse Jubelpark liggen in een vitrine een blouse van Gabrielle Petit, een kammetje en wat prularia die ze bij zich had toen ze werd opgesloten in de gevangenis van Sint Gillis. De cel in Sint-Gillis waar ze heeft vastgezeten, heeft een tijd als bedevaartsoord dienst gedaan. Al op 9 november 1919 werd er de eerste bedevaart georganiseerd. In Doornik werd een plein naar Gabrielle Petit genoemd.