牛大鳴對弟弟的變節，異常痛心。在上海向中共中央匯報工作時，他曾從十二個方麵總結了四川黨內所存在的問題，其中談道：

一般同誌政治水平很低落，幹部分子很缺乏，不能執行上級的策略決議。譬如有同誌解釋“蘇聯”是“蘇秦聯合六國”，土地革命是革土地菩薩的命……甚至省委住機關的同誌要求去綁票……

盡管這是牛大鳴從他個人角度了解到的個別情況，但也可以說明當時不少中共黨員的政治素質是比較低的。在這種情況下出幾個叛徒，本是不足為奇的事。但問題出在他一手引上革命道路的親弟弟身上，卻是他萬萬沒想到的。

牛大鳴決定要冒險去找到牛正坤，當麵對他進行規勸和警告，防止他進一步滑向罪惡的深淵。

牛大鳴還沒有想好用什麽方法、在什麽地方與牛正坤見麵，他突然被捕了。

那天牛大鳴到城外辦事回來，剛走到通遠門城門外新修的馬路上，意外撞到了賀蜀筠。牛大鳴因走得急，邊走邊想著心事，視力又不好，等他發現甕城石梯上站著的人是賀蜀筠時，已躲閃不及了。賀蜀筠得意洋洋地嚷道：

“牛正聲，牛大鳴，本大爺找你多時了！”

瘦弱的牛大鳴哪是賀蜀筠的對手。賀蜀筠一把將牛大鳴揪住，扭到城門上的城防司令部機關槍連駐地，叫部隊派了幾個兵幫他把人押回二十一軍軍部。

關於牛大鳴被捕後的表現，曾有這樣一種說法：

“一入敵特委會監牢，牛正聲便向看守的衛兵進行革命宣傳，衛兵受其教育啟迪，十分同情和敬重牛正聲，並準備將牛正聲放走……”

這種說法未免太有些想當然。當時共產黨人被抓到後，一般是先押到二十一軍軍部，關進軍部看守室（亦稱禁閉室），待特委會提審和勸降時，才從軍部看守室提到特委會禁閉室臨時關押。特委會位於二十一軍軍部大院內後側一角，平房數間，並無“監牢”，禁閉室門口通常有兩個衛兵。而軍部看守室在軍部大門內，除看守室門前有看守兵外，軍部大門口還有崗哨。幾句“革命宣傳”便可使衛兵不顧一切地準備將其放走，真是談何容易！李鳴珂、穆青、劉願庵均曾在軍部看守室關押，也均曾做過不少革命宣傳，他們的宣傳水平顯然也決不會在牛大鳴之下——據特委會報告記載，李鳴珂“善於詞辯，被獲進部，見士兵宣傳士兵，見夫役宣傳夫役，有機會便利用機會”，確有不少士兵被感動。但這種感動，現在分析起來也多半是佩服其“不怕死”和“為窮人不為自己”的精神，真正要敢於放走“罪犯”，仍難有人敢動此念頭。況且，軍部看守室中通常關押著數人或十數人，其中並不光是政治犯，政治犯中也並不都是堅強不屈的共產黨人。士兵會在這眾目睽睽之下放走“罪犯”嗎？

其實，在敵人獄中，共產黨人並非隻有慷慨激昂才算是英雄本色。從二十一軍特委會的報告所留下的文字記載來分析，即可看到牛大鳴是以外柔內剛的表現與敵人進行鬥爭的。

牛大鳴雖然年輕，被捕後卻十分沉著。他知道賀蜀筠並不了解他目前在黨內的情況。牛正坤被帶來對質，也隻能證實他確是牛大鳴，說不出什麽更多的東西——並非因為是自己的親哥哥，不敢說，更因為牛正坤確實不清楚哥哥幹的那些工作。

於是，牛大鳴編了一套“供詞”，他承認自己是共產黨員，但不承認是省委委員，隻說是在黨內作收轉信件工作的普通工作人員，因工作細心謹慎，被提升為秘書，並不是“秘書長”，而這秘書，又隻不過相當於文書，“實即負抄寫之責而已”。

當審判官拿出省委文件中關於派他去上海向中共中央匯報的文字證據時，他編了一段話來加以否認，他說：

“本年四月二十八日，劉願庵親來我家，述說省委委員或死或逃，隻剩他一人，要我送報告到中央，請求派人來川恢複組織。我以沿途檢查頗嚴，不能攜帶文件為詞推謝。他說，我把這裏的詳細情況給你講了，你就代表省委去向中央作口頭報告，不用帶文件。我又推說從未去過上海，不願遵命。經他反複講道理，我隻好先假裝答應。他約好第二天午後兩點再來我家談話，並送路費和介紹信來。第二天一早我就跑到鄉下去了，留了一封信表示與黨脫離。上海我根本就沒有去……”

不是義正詞嚴的演講，也不是慷慨激昂的辯論，這個隻有24歲的年輕人，就用這樣的方法在竭力保守黨的機密。為了蒙騙審判官，他還把弟弟牛正坤的變節也利用起來為自己作掩護，說他躲到鄉下後，“並函民弟正坤登報正式退出黨籍，有一月餘前之渝報可證。”

審判官從他這裏撈不到什麽油水，便要求他像他弟弟那樣也登報聲明反共。他以早已同共產黨脫離關係為詞拒絕了。

不願公開聲明反共，向反動當局投降，他精心編造的那些“供詞”除了能起到保守黨的機密的作用外，當然不能起到保護他自己的作用。勸降無效，劉湘悍然下令：

“牛大鳴為共黨首要之一，在曆次所搜獲文件中在在可考，曾在涪陵指揮暴動，遂依照反革命治罪法一條二款之規定，處以死刑。”

臨刑前，牛大鳴寫下了一首遺詩：

炮彈穿過心胸，

好似清風吹過胸中，

勞苦兄弟的胸窩，

就是我的歸宿地！

直到這時，他年輕的妻子才獲準與他見麵。麵對泣不成聲的妻子，他鎮定地囑咐，他死後，不準搞迷信活動，隻需以白布裹屍就行，埋於南岸銅元局山上，待革命成功後再開追悼會。

最後，他叫妻子把他那個從外地帶回的最心愛的細瓷碗送來。他窮苦一生，為革命奔波多年，隻有這一個晶瑩如玉的細瓷碗算是他唯一下決心買的貴重物品，他所擁有的唯一的“寵物”，其中寄予了他多少美好的向往！在起身赴刑場時，他毅然將這個細瓷碗摔碎在地，表示了他“寧為玉碎，不為瓦全”的決心。

9月5日，牛大鳴被敵人押到重慶舊城區通遠門外殺害。

通遠門是三麵環水一麵靠山的重慶城當時各道城門中唯一通往陸路的城門（其餘各道城門都開在城東城南長江邊上或城北嘉陵江邊上）。此門建於城西山脊上，城門下一片深溝夾穀，向北伸入嘉陵江。以前城門外另有甕城，甕城門東向，出甕城下坡到穀底後再掉頭沿城垣上坡西行，才能走上城外沿山脊開出的大路。甕城下穀底有一片荒地，因在進出城的要道旁邊，又較為寬闊，就被軍閥當局用來作了刑場。

牛大鳴瘦小的身軀就倒在了這片荒涼的土地上……