初重新集结部队东进安徽，试图通过正面突破来解除安庆之围。与此同时，他还调动了包括平西主将吴定彩在内的多支队伍加入战斗。虽然太平军在此期间取得了几次局部胜利，但未能从根本上改变局势。随着清军主力的猛烈反击，特别是集贤关的失守，安庆形势愈发危急。
到了六月底，陈玉成再次召开军事会议，决定发起最后的努力，兵分三路进行反攻。尽管他在前线亲自指挥作战，并且表现出了极大的勇气和决心，但由于整体实力对比悬殊以及内部协调问题，最终未能阻止安庆落入敌手。八月初，这座对于太平天国至关重要的城市终于陷落。
安庆失守后，陈玉成陷入困境。不仅面临着兵力分散、士气低落的问题，还遭受来自高层的压力。为了寻找新的出路，他派遣马融和、邱远才等人率队前往西北招募兵马，同时自己退守庐州（合肥）。然而，正当他准备重整旗鼓之际，却遭到了致命一击。曾经合作过的苗沛霖暗中投靠清廷，并设计诱捕了陈玉成。
1862年四月，陈玉成接到了苗沛霖发来的密信，邀请他前往寿州共谋大事。尽管手下有人提醒可能存在陷阱，但出于对局势的迫切需求，陈玉成还是决定冒险一试。不幸的是，当他抵达寿州时，果然落入了苗沛霖预先布置好的圈套之中。陈玉成及其随行人员被俘虏后，随即被送往颖州接受审讯。在面对钦差大臣胜保时，陈玉成表现出了一名真正战士应有的尊严与不屈精神，甚至直言自己的被捕将给太平天国带来沉重打击。
鉴于陈玉成的重要性以及防止途中发生意外的可能性，清廷最终决定就地将其处决。1862年6月4日，在河南延津县西郊，这位年仅二十六岁的年轻将领惨遭凌迟之刑，其首级也被传示各地以儆效尤。