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그러나 5.16 쿠데타 발발로 인해 그의 노력은 수포로 돌아갔고 수많은 통일 인사들이 구속되는 가운데 그 또한 5월 23일 체포되어 혹독한 고문 끝에 그의 동지인 최근우, 문희중은 고문후유증으로 옥사하고 그는 11월 8일, 사형이 확정됐다. 그해 12월 21일, 최백근 선생은 파란만장 했던 생을 마감했고, 유해는 조계사에 잠시 안치돼 있다가 망우리 공동묘지에 묻힌다.
살아남은 그의 동지들과 현대사 연구학자들은 그의 갑작스런 사형집행은 박정희가 남로당 군사조직의 핵심당원으로 활동한 전력으로 인해 미국이 5.16 쿠데타의 성격과 사상을 의심하자 자신이 얼마나 투철한 반공주의자로 변신했는지 대내외에 과시하기위해 희생양을 찾다 언론계에서 민족일보 조용수, 혁신계에서 최백근 선생을 죽였다고 보고 있다.