日本投降后，全国人民要求对汉奸、间谍进行严惩，国民政府于10月10日在北京把川岛芳子逮捕，并把她关押在一个军队司令部的仓库内。后来，又被转移到远郊姚家井河北第一监狱的女监第3号牢房。
1948年3月25日早晨6点40分，她在第一监狱西南角的场地上被执行枪决。行刑前，各报记者被通知可以采访，但在执行时，除了一位美籍美联社记者外，其他中国记者全部被挡在门外。事后女尸被停放在监狱后门的自强路上，7时半监狱方才引导记者参观尸体。
然而，对川岛芳子的枪决真相却众说纷纭，闹得满城风雨。后据一名曾参与执行枪决的狱警透露，一个名叫刘风玲的女犯以10根金条的代价做了川岛芳子的替身，以此死者并非川岛芳子。报社听闻此事后，迅速刊登，因此广泛议论。但很快得到答复，死者就是川岛芳子，非是她人。但人们对此说法并不买账，并提出各种质疑。
另外还有一个方姥的故事，说东北地区70年代，有个被称为方姥的老太太正是川岛芳子。在她家中还有另一位著名的女性李香兰的唱片和留声机。
但方姥76年去世，虽然后人越传越神，但也有很多疑点，因此不能断定她就是川岛芳子。
川岛芳子的来历本来就是一个谜，而到最后，她的死也成了一个谜。看来，这位风流女间谍真可谓做到了“来无影，去无踪！”