Zgodnie z ostrzeżeniem polskiego sierżanta samochód został po kilku minutach zatrzymany przez dwa radzieckie czołgi w pobliżu miejscowości Góra Koliszówka pod Nowikami. Żołnierze zrewidowali i rozdzielili pasażerów samochodu – żonę generała zamknęli w stodole, a samego Olszynę-Wilczyńskiego i kapitana Strzemeskiego po kilku minutach (ok. 6:45) rozstrzelali z czołgowego ciężkiego karabinu maszynowego na rozkaz komisarza Grigorienki. Sowieci zakrwawioną czapkę generała pokazywali jako swoje trofeum. Mogiła gen. Wilczyńskiego znajduje się w miejscowości Sopoćkinie, parafia Teolin, k. Grodna, a symboliczna na Cmentarzu Salwatorskim w Krakowie (sektor SC2, rząd 1, nr grobu 8).
mały|Grób symboliczny gen. Józefa Olszyny-Wilczyńskiego w Krakowie
22 września 1991 w 52. rocznicę śmierci, w Kościele Zwiastowania Najświętszej Maryi Panny w Krakowie u oo. Kapucynów na krużgankach klasztornych umieszczono pamiątkową tablicę wykonaną z czarnego marmuru dębnickiego. Jest patronem ulic w Krakowie i Sopoćkiniach.
Rodzina Dwukrotnie żonaty: z pierwszą żoną Józefą z Niemców, z którą rozwiódł się w 1936, miał dwoje dzieci: syna Wiesława (ur. 1911) oraz córkę Halinę (ur. 1913). Drugą żoną generała została w 1937 Alfreda ze Szwarców primo voto Staniszewska.