杖刑完毕后，杨继盛被关入刑部狱，家人所送的药物都被巡风官李天荣所截下，杨继盛“两腿肿粗，相摩若一，不能前后；肿硬若木，不能屈伸。止手扶两人，用力努挣，足不覆地而行入狱”。提牢刘槚又将杨继盛转至条件更差的民监，幸得狱内外诸多人相助，才得以渡过难关。在狱中，杨继盛创伤发作，于半夜苏醒过来，摔碎瓷碗，用手拿碎片割腐肉，肉被割尽，筋挂膜，他又用手截去。为他持灯的狱卒颤抖欲坠，杨继盛却意气自如，在朝审时，观看杨继盛的人堵塞了道路，都非常叹息，甚至为他哭泣。
朱厚熜将杨继盛关入诏狱后，让刑部定罪，刑部侍郎王学益为严嵩党羽，他受严嵩的嘱咐，想以诈传亲王令旨的罪名将杨继盛绞死，郎中史朝宾坚持不同意。严嵩愤怒，将他贬出朝廷，刑部尚书何鳌最终妥协，像严嵩所指的那样定案，但世宗还不想杀杨继盛。严嵩本想将杨继盛杀死，但杨继盛在陆炳等人的保护下，在监狱之中存活三年之久。
杨继盛的好友王世贞等人为他四处奔走求救，严嵩见舆论不容，本想上疏解救杨继盛，但在其党羽鄢懋卿及其子严世蕃等人的说服之下，决心杀死杨继盛。当时，国子司业王材也在坐，争道：“继盛之死不足惜也，然关系国家甚大，老先生还当为天下后世虑。”但严嵩已决意杀杨继盛。适逢严嵩的党羽赵文华，送来对闽浙总督张经等人的论罪奏疏，严嵩在这份奏疏之后附上杨继盛的名字，世宗在阅奏时并未注意，便草草同意处刑。
杨继盛的妻子张氏伏阙上书说：“我的丈夫杨继盛误听市井之言，还习惯于书生之见，于是抒发狂论，圣明不即加戮，使从吏议。两次经过上奏被审判定罪，都承受皇上的宽宥之恩，现在突然阑入张经的疏尾，奉旨处决。我仰望的只有圣德，草木昆虫都想得到处所，岂惜回首一次，下察沉冤，倘若因为罪重，一定不可赦免，希望立即斩臣妾的首级，来代替夫君受诛。我的丈夫虽然远御魑魅，必能战死疆场，来报效君父。”严嵩将此书扣下不奏。
严嵩授意刑部尚书何鳌，将杨继盛与张经、浙江巡抚李天宠、苏松副总兵汤克宽等九人处决，弃尸于市。杨继盛临刑前，将自书年谱交予其子，并作诗曰：“浩气还太虚，丹心照千古。生前未了事，留与后人补，天王自圣明，制作高千古，生平未报恩，留作忠魂补。”天下相互涕泣传颂此诗，张氏不久后便殉夫自缢。燕京士民敬而悯之，以杨继盛的故宅改为庙以奉祀，尊为城隍，并以其妻配祀。
杨继盛死后十二年，穆宗朱载垕继位，抚恤直谏诸臣，以杨继盛为首，追赠太常少卿，谥号“忠愍”，予以祭葬，并任命他一子为官。直隶监察御史郝杰在保定百姓的要求下，上奏道：“保定府是杨继盛的故乡，本地官吏和百姓请为杨继盛立祠，以做永久的纪念，请求批准。”朱载垕很快批准，并定名为旌忠祠。