31 октября 1941 года Зоя в числе 2000 комсомольцев-добровольцев явилась к месту сбора в кинотеатре «Колизей» и оттуда была доставлена в диверсионную школу, став бойцом разведывательно-диверсионной части. Боевое задание группы Зои Космодемьянской было таково: «сжечь 10 населённых пунктов Анашкино, Грибцово, Петрищево, Усадково, Ильятино, Грачеве, Пушкино, Михайловское, Бугайлово, Коровине. Срок выполнения — 5—7 дней».
Зоя успела исполнить только часть приказа, организовав поджог трёх домов, в одном из которых ночевали немецкие солдаты, отправлявшиеся на фронт, а также уничтожить их транспорт из лошадей, другие два дома были домами жителей деревни. Во время второй попытки поджога житель деревни С. А. Свиридов поднял тревогу, и Космодемьянская была арестована.
На допросе Зоя назвалась Таней и не сказала ничего определённого. Зою раздели догола и пороли ремнями. Затем жители села Петрушкина, Воронина и другие видели, как приставленный к Космодемьянской часовой на протяжении четырёх часов периодически водил её босой в одном белье по улице на морозе. До получаса они вдвоём оставались на улице, затем часовой заходил на 15 минут погреться и заводил Космодемьянскую в дом. Ноги Зои получили обморожение. Около 2 часов ночи охранник сменился. Он позволил Зое лечь на лавку, где она пробыла до утра.
Следующим утром Космодемьянскую вывели на улицу, где уже была сооружена виселица; на грудь ей повесили табличку с надписью на русском и немецком языках: «Поджигатель домов». Когда Космодемьянскую подвели к виселице, Смирнова ударила её по ногам палкой и крикнула
— Кому ты навредила? Мой дом сожгла, а немцам ничего не сделала…
Посмотреть на зрелище собралось много немцев и местных. Фашисты фотографировали. В этот момент девушка выкрикнула:
«Граждане! Не стойте, не смотрите. Надо помогать воевать Красной Армии, а за мою смерть наши товарищи отомстят немецким фашистам. Советский Союз непобедим и не будет побеждён».
Невероятное мужество — стоять на краю могилы и, не думая о смерти, взывать к самоотверженности. В тот момент, когда Зое надевали петлю на шею, она прокричала ставшие легендой слова:
«Сколько нас ни вешайте, всех не перевешаете, нас 170 миллионов. Но за меня вам наши товарищи отомстят.»
Ничего больше Зоя сказать не успела. Повешенную комсомолку не снимали с виселицы еще месяц. Над истерзанным телом продолжали издеваться фашисты, проходившие через деревню. В канун нового 1942 года изрезанное ножами, оголенное, с отрезанной грудью тело Зои сняли с виселицы и разрешили сельчанам похоронить. 
Позже, когда советскую землю очистили от фашистов, прах Зои Космодемьянской перезахоронили на Новодевичьем кладбище в Москве.
Геройски погиб и младший брат Зои — Саша. Александр Космодемьянский 17-летним ушел на фронт, узнав о героической гибели сестры. Танк с надписью на боку «За Зою» прошел много боев. Александр героически провоевал почти до самого конца войны. Погиб в битве за опорный пункт в местечке Фирбруденкруг, под Кёнигсбергом. Награжден званием Героя Советского Союза. Именем партизанки-диверсантки названы и другие объекты: пионерские лагеря имени Зои Космодемьянской, школы и другие образовательные учреждения, библиотека, астероид, электровоз, танковый полк, судно, посёлок, пик в Заилийском Алатау и танк БТ-5.
Подготовила Соня Дедова