1940年2月23日，日军在吉林省蒙江县保安村三道崴子包围了杨靖宇。此时，他病饿交加，但仍手持双枪奋起应战。《东边道治安肃正工作》中记载了当时日军指挥官西谷喜代人和杨靖宇的对话。

“君是杨司令否？”

“我就是杨靖宇。”

“我们是通化警察队，你想要逃脱是不可能了。何必急着去死呢？归顺我们可好？”

“我珍惜自己的生命，但不可能如你们所愿。我的很多部下都牺牲了，如今只剩我一人，虽临难，但我的同志们正转战各地，帝国主义灭亡之日必将到来，我将抵抗到底，无须多说，开枪吧。”

日军的战场实录记载道：“讨伐队已向他逼近到100米、50米，完全包围了他，他依然手持双枪不停射击。交战约20分钟，有一弹击中其左腕。但是，他继续用右手的枪应战。”

眼见生擒无望，西谷喜代人下令射杀杨靖宇。随即，几颗子弹击中了他的胸膛，年仅35岁的杨靖宇壮烈牺牲。1946年，蒙江县正式更名为靖宇县，以表达人们对杨靖宇的怀念。

杨靖宇牺牲后，伪通化省警务厅厅长岸谷隆一郎命人剖开了杨靖宇的腹部，发现他的胃中只有草根、棉花和树皮。岸谷隆一郎见状沉默许久，并流下了泪水。