Po przybyciu Paleolog był obwożony w tej klatce po ulicach Rzymu.
Rozprawa odbywała się w tym samym dominikańskim kościele, który był miejscem jego pierwszego procesu. Uznano go za „upartego heretyka-recydywistę” i skazano na spalenie żywcem.
W lutym 1582 był już prowadzony na miejsce kaźni, jednak kolejny raz uniknął śmierci. Poprosił, aby termin jego stracenia został odłożony, ponieważ zastanawia się nad powrotem do katolicyzmu.
Dominikanie postanowili, że papież osobiście powinien wydać orzeczenie w sprawie Paleologa, tak więc Paleolog ponownie trafił do więzienia. Chociaż żadne przekazy nie potwierdzają, aby podczas dwóch lat spędzonych w więzieniu Paleolog wyrzekł się swojej wiary, papież postanowił jednak, że Paleologowi można pozwolić na honorowe, prywatne stracenie.
1585 Jakub Paleolog został ścięty na dziedzińcu więzienia Torre di Nona w Rzymie. Jego ciało zostało przewiezione na Campo de’ Fiori, tam spalone na stosie, a popioły wrzucone do rzeki Tyber.