16 września 1950 aresztowany przez MBP/GZI WP. W procesie sądowym nie przydzielono mu obrońcy. 20 lipca 1951 ława WSR w Warszawie Sr.593/51 pod przewodnictwem por. Jerzego Drohomireckiego skazała go na podstawie 7 Dekr. z 13 czerwca 1946 r."Księga najwyższego wymiaru kary" w na karę śmierci, jednak 23 sierpnia 1951 NSW uznając na wniosek rewizyjny naczelnego prokuratora wojskowego, że niektóre kary są zbyt niskie, uchylił wyrok i przekazał sprawę do ponownego rozpatrzenia. 10 września 1951 WSR w Warszawie skazał go ponownie na karę śmierci. 26 października 1951 NSW utrzymał ten wyrok w mocy. Bolesław Bierut pomimo prośby nie skorzystał z prawa łaski.
Grzegorz Doliwa-Dobrowolski został stracony 12 stycznia 1952 w więzieniu mokotowskim. W 1957 żona Zofia wystąpiła z wnioskiem o wznowienie postępowania, gdyż „w toku śledztwa i na rozprawie nastąpiły rażące naruszenia przepisów proceduralnych, które wręcz pozbawiły oskarżonego możliwości obrony”. Wniosek stwierdzał, że wyrok pogwałcił elementy przepisów prawa, że w stosunku do oskarżonego stosowano w śledztwie niedozwolone metody i presję fizyczną, o czym wspominał także list straconego do Bolesława Bieruta z prośbą o łaskę. NSW uznał jednak, że nie są to nowe fakty ani dowody, i wniosek żony oddalił.