蒙古人没有办法，只得将他移送兵马司，交由士兵监守。所幸“王用亨于岐山，吉，无咎。”恰逢元世祖忽必烈多方寻求有才能的南宋官员，有意招降文天祥。
文天祥再次表示国家已亡，他唯有以死报国，倘若有幸获得宽赦，也只愿以道士身份回归故乡。
忽必烈叹息道：“谁家无忠臣！”有意放了他。只可惜有人认为文天祥可能在江南西路再次起兵反元，此事只得作罢。
公元1282年，福建一带有人自称宋主，率兵千人打算救出文天祥。燕京城内传出没有署名的反元书信，恰好元朝左丞相阿合马被人刺杀。
因书信中有“丞相无忧”的字样，文天祥被怀疑是幕后主使人。
忽必烈为此召见文天祥，问他还有什么愿望吗？文天祥回答说愿求一死。
忽必烈百般不忍的时候，有人建议不如成全文天祥。
文天祥走向刑场，向南方跪拜后从容就义，终年四十七岁。
刑场上十几位江南义士冒死来为文天祥办理后事，他们在文天祥遗体的衣带之间一篇附有序言的赞：
吾位居将相，不能救社稷，正天下，军败国辱，为囚虏，其当死久矣！顷被执以来，欲引决而无间，今天与之机，谨南向百拜以死。其赞曰：孔曰成仁，孟曰取义，惟其义尽，所以仁至。读圣贤书，所学何事？而今而后，庶几无愧！宋丞相文天祥绝笔。
他在被囚元大都的狱中时，曾作长诗《正气歌》：
天地有正气，杂然赋流形。
下则为河岳，上则为日星。
于人曰浩然，沛乎塞苍冥。
皇路当清夷，含和吐明庭。
时穷节乃见，一一垂丹青……
这首光辉灿烂、气势磅礴的诗篇，充满浩然正气，表现出了他坚如磐石的民族气节、威武不屈的铮铮铁骨和生死不渝的崇高信念。
文天祥“贞吉，升阶。”他就义的消息传到南方，旧日部属和朋友纷纷设酒祭奠，以表悼念之情。翌年，文天祥归葬于故乡富田村。
文天祥誓与国家共存亡的爱国之情，激励着后世无数仁人志士，“冥升，利于不息之贞。”他死之后，声望依然在不断提升。
公元1376年明洪武年间，明廷在北平教忠坊修建文丞相祠。不久，庐陵、宣城、温州、崖山、大兴等地纷纷兴建文天祥的纪念祠堂。
公元1456年，明代宗追谥文天祥为“忠烈”。
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