Sau 8 tháng giam giữ ở nhà tù huyện Thanh Oai mà thầy Cần vẫn một lòng cương quyết theo Chúa. Tháng 12 quan huyện chuyển thầy lên tỉnh Hà Nội. Vừa tới tỉnh, quan đầu tỉnh đã ép thầy quá khóa.
Thầy thẳng thắn trả lời:
- Bẩm quan lớn, nếu muốn được tha, tôi đã không phải chờ đợi cho tới bây giờ. Bởi vậy người ta mới giải tôi về nộp cho quan lớn.. Xin quan lớn cứ xét xử theo lệnh đức vua.
Biết thầy là người cương nghị nên quan cho lệnh tống giam trong ngục Thầy ở trong ngục, ban ngày thì mang xiềng xích, ban đêm thì bị cùm trong xà lim. Thầy luôn vui vẻ, đọc kinh cầu nugyện hằng ngày. Các bạn tù thường nói vớI nhau, anh này còn trẻ quá mà sao anh không sợ chết, dần dần ai nấy đều mến phục và nghe thầy giảng đạo, nói về Chúa và sự sống đờ sau. TớI tháng 3 quan lạI gọI thầy tớI công đường, ép thầy bước lên Thánh Giá. Thầy nhất định không chịu. Quan cho lính cầm hai đầu gông khiêng bổng thầy lên đưa qua Thánh Giá.
Thầy la lớn tiếng:
- Lính của quan mạnh khoẻ khiêng voi cũng được, huống chi là tôi. Nhưng tôi không chối đạo Tôi không bao giờ bước lên ảnh tượng Chúa của tôi.
Quan lại cho lệnh đánh thêm 50 roi thật đau đớn rồi cho trở về nhà tù. Viên cai tù thấy tác phong của thầy Phanxicô Nguyễn Cần thì nói với bọn lính:
- Anh này gầy yếu chỉ bằng nắm tay mà nghị lực phi thường. Anh ta mà chết chắc sẽ trở nên Thành Hoàng của làng chứ chẳng chơi.
Mấy người lính gác cũng bàn tán thêm :
- Thật chưa từng thấy một thanh niên nào như anh này. Bị đánh hằng trăm roi đòn, nát hết da hết thịt như vậy mà anh ta vẫn vui vẻ, lịch thiệp, nói chuyện dễ thương, anh ta còn giúp đỡ bao nhiêu bạn tù khác nữa đấy.
Các quan thấy giam giữ thầy đã lâu mà thuyết phục vẫn không được nên quyết định làm án xử giảo rồi gửi về triều đình. Ngày 20 tháng 11 năm 1837, bản án được vua Minh Mạng phê chuẩn gửi ra tới Hà Nội. Quan tổng trấn gọi thầy tới khuyên thầy nhắm mắt lại bước lên Thánh Giá để được tha
Thầy đáp lại:
- Bẩm quan lớn, mắt thì nhắm được nhưng lòng và trí khôn thì không thể nhắm được, nên tôi không làm.
Quan tổng trấn lại cho lấy hai khúc gỗ xếp chéo lại rồi nói:
- Đây không phải là ảnh Chúa, hai khúc gỗ mà! Anh cứ bước qua đi dể thoát chết.
- Bẩm quan lớn, tôi không thể bước qua vì đây là dấu chỉ bỏ đạo.
Thế là thầy Phanxicô Xavier Nguyễn Cần bị điệu ra pháp trường Cầu Giấy Hà Nội để thi hành bản án. Đi đầu là năm viên quan cỡi voi oai phong đi trước, 10 cai đội cỡi ngựa theo sau, rồi đến 300 lính mặc binh phục đỏ, tay cầm kiếm. Một tên lính đi giữa cầm tấm thẻ án giơ cao với những hàng chữ: “Can phạm theo đạo Gia Tô, không chịu bướcqua Thập Giá, bị án xử giảo”. Sau cùng là đoàn lũ người gồm lương giáo đi rất đông.
Tới pháp trường, đội lý hình tháo gông và xiềng xích rồi trói thầy và thòng giây vào cổ thầy. Thầy quay lại cám ơn, giơ tay vẫy chào vĩnh biệt mọi người. Sau đó quan tổng trấn ra hiệu lệnh, tức khắc đội lý hình kéo thật mạnh hai đầu giây. Đầu thầy rũ xuống và tắt thở. Người chiến sĩ can trường của Chúa Kitô giã biệt cuộc đời ngày 20 tháng 11 năm 1837 khi mới 34 tuổi thanh xuân.
Giáo dân xin thi hài người môn đệ Chúa để an táng tại Chân Sơn. Sau cải táng rước về đặt tai nhà thờ xứ Sơn Miêng.
Đức Giáo Hoàng Lêô XIII đã tôn phong Thầy lên bậc Chân Phước ngày 27 tháng 5 năm 1900 và Đức Giáo Hoàng Gioan Phaolô II đã nâng Thầy lên hàng hiển thánh Tử Đạo ngày 19 tháng 6 năm 1988