经中日专家合作调查，爱新觉罗德崇（清太祖努尔哈赤十一世孙）出面作证，法医用科学方法反复比对骨骼结构，验明死者留下的数件遗物，确证方姥就是汉奸川岛芳子。
1945年8月6日凌晨，两颗原子弹“小男孩”和“胖子”分别在日本广岛、长崎上空爆炸，又黑又大的蘑菇云顷刻间吞噬了十多万人的生命。其后九天，8月15日，日本裕仁天皇受到极度震慑，宣布投降。“东方的玛塔·哈丽”随之走向了她的人生末路，被国民政府当作头号女汉奸，逮捕归案，关进北平第一监狱。当局对川岛芳子礼遇有加，不仅让她住单间，而且解除手铐，据说这是经北京军统局特意关照过的。其后，河北省高等法院多次提审这位日本间谍，但她百般狡赖，将自己犯下的罪行推卸得一干二净。河北省高等法院掌握的证据相当有限，庭上仅出示了三件物证：第一件是川岛芳子身着戎装的照片，这是她作为日本侵略者的帮凶定国军司令的确凿证据；第二件是刻有司令字样的四方大印；第三件是日本作家村松梢风写的《男装丽人》和《满洲的黎明》两本小说。法庭按疑罪从有的原则定谳，川岛芳子被判处死刑。
据监督行刑的检察官何承斌回忆：川岛芳子是个不怕死的人，她听说中华民国最高法院核准的处决令已经下达，依旧神色如常，只抱怨了一句法官没有证据而判她死刑，实在冤枉。另据负责警戒的宪兵少校谭良泽回忆：刑场内有法官、典狱长、行刑的法警、法医、两名记者以及监督行刑的9团2营4连的宪兵队。被带到刑场中央的川岛芳子，由于经常吸食鸦片，注射吗啡，再加上一年多的牢狱生活，面色腊黄，脸颊浮肿，一头齐耳短发，看上去四十多岁。川岛芳子态度很沉着。法警按法律程序核对了姓名，验明了正身，向她宣布了罪状和死刑判决书。
行刑前，执行官照例询问川岛芳子有何要求，她什么也不说，连例餐——两个馒头，也不想吃，只打算给养父川岛浪速写一封信，这个请求得到执行官的准许。原信用日文写就，翻译过来是这样的：
父亲大人：终于三月廿五日的早晨执行了，请告诉青年们永远不止地祈祷中国之将来，并请到亡
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