Siguió un largo período de apelaciones basadas en la dudosa constitucionalidad de la Ley de Espionaje de 1917 por la cual se les condenó y en la también dudosa imparcialidad del juez Irving R. Kaufman. Fueron más de veinte las apelaciones, siete de ellas llegaron hasta la Corte Suprema, todas ellas fueron rechazadas. Los esposos fueron ejecutados en la silla eléctrica en la prisión Sing Sing de Ossinig (Nueva York), era el 19 de junio de 1953.
"La ejecución de los Rosenberg es un linchamiento legal que mancha de sangre a todo un país". Jean Paul Sastre
De nada valieron las campañas mundiales (manifestaciones, mítines, libros, peticiones de personalidades como la de Pío XII...) señalando la que no había pruebas suficientes y pidiendo un indulto para que no se ejecutara la sentencia. Tampoco sirvieron de nada las campañas dentro de Estados Unidos o las "vigilias" (algunas de varios días) ante la Casa Blanca. El nuevo presidente Einsehower, horas antes de la ejecución, se negó a conceder el indulto,
Ethel, en la última carta que escribió, afirmó que ella y su esposo serían reivindicados por la Historia. La polémica sobre la sentencia no acabó con su muerte, en los años posteriores siguió un debate su culpabilidad o inocencia. ¿Fueron víctimas de una sociedad obsesionada con el peligro soviético en el contexto inmediato de la Guerra de Corea? De hecho, el juez les acusó de haber posibilitado muchas bajas de soldados norteamericanos en la Guerra de Corea.
El desenlace de este proceso impulsó las actividades del Comité de Actividades Antiamericanas del senador McCarthy,