En la noche del 21 de febrero de 1934, Sandino, en compañía de su padre, Gregorio Sandino, el escritor Sofonías Salvatierra (ministro de Agricultura de Sacasa) y sus lugartenientes generales Francisco Estrada y Juan Pablo Umanzor, acudían a una cena en La Loma invitados por el presidente Juan Bautista Sacasa –tío político de Somoza–. A la salida de dicho evento, el coche en el que viajaban fue detenido frente al cuartel y cárcel de El Hormiguero (ahora, frente a su costado este, se encuentra el Campo de Marte) por un grupo de soldados encabezados por el coronel Delgadillo, disfrazado de cabo de guardia. Los detenidos pidieron que llamaran a Somoza, pero les respondieron que no podían localizarlo. Por otro lado, la hija de Sacasa, habiendo presenciado la detención, le comunicó a su padre sobre la misma, y Sacasa se puso en contacto con la embajada de EE. UU. para intentar impedir el asesinato.
Los guardias ingresaron en dicha prisión a don Gregorio Sandino (padre de Sandino) y a don Sofonías Salvatierra, mientras que Sandino y sus generales Francisco Estrada y Juan Pablo Umanzor, fueron conducidos a un predio baldío, conocido como La Calavera, en las afueras de la ciudad (hoy barrio Larreynaga). A las 11:00 p. m., delante de una fosa común previamente excavada y a la señal de Delgadillo, el batallón que custodiaba a los prisioneros abrió fuego, asesinando a los tres con fusiles Springfield 1903 estadounidenses, calibre 7.62 × 63 mm y subfusiles Thompson estadounidenses de 11.43 mm. Según testimonio de Salvatierra, al oír los disparos de un pelotón de fusilamiento, Gregorio Sandino dijo: "Ya los están matando. Siempre será verdad que el que se mete a redentor, muere crucificado." Antes de enterrarlos, se llevaron los cadáveres para que Somoza los viera personalmente.
Mientras, él se encontraba en un recital poético en el Campo de Marte, hecho por la poetisa peruana Zoila Rosa Cárdenas, que recitó poemas del nicaragüense Rubén Darío. Esa misma noche, la Guardia Nacional asalta la casa de Don Sofonías Salvatierra (hoy todavía en pie), muriendo un niño y logrando escapar el coronel Santos López abriéndose paso a balazos y, posteriormente, huyendo hacia Honduras. El cadáver de este niño, así como los de los tres generales del EDSN (incluyendo a Sandino), y el del hermano de este último, Sócrates Sandino, muerto en un enfrentamiento con efectivos de la Guardia Nacional, fueron enterrados en la fosa antes mencionada. Al día siguiente (22 de febrero de 1934) la Guardia Nacional destruyó la cooperativa que Sandino había establecido en el poblado de Wiwilí, matando o haciendo prisioneros a sus integrantes. Dos años después, Anastasio Somoza García –quien llegó a afirmar que recibió las órdenes del asesinato de Sandino del embajador estadounidense Arthur Bliss Lane– se haría con el poder del país, derrocando para ello al presidente Sacasa, quien era su tío político.