陳公博在國民政府看來是汪偽漢奸，在共產黨看來不僅是漢奸，而且是叛徒。因為他和周佛海一樣最初是共產黨，而且是中共一大代表，共產黨的元老。但他後來脫離共產黨，轉身成了國民黨，他是汪精衛的親信，對汪精衛無比欽佩和忠誠。
汪精衛離開重慶搞所謂和平運動，陳公博起初是堅決反對的，並且苦口婆心想勸阻汪精衛，他預見到求和必被等同於賣國，認為汪精衛的和平運動會使得他幾十年的光榮歷史和一世英名毀於一旦，但汪精衛說為了替中國留下一些元氣，為了淪陷區哀哀無告的人民他必須跳火坑，為此他死且不避，又豈能顧忌自己的名聲。
陳公博後來在“高陶事件”之後，前往參加了汪政權。“高陶事件”指高宗武陶希聖兩人暗自攜帶了汪精衛與日本人談判的條約草案密件跑去香港並在報刊上公布發表之事。高宗武陶希聖當初是攛掇鼓動汪精衛與日本人媾和的最積極的推手，忽然卻又背叛了汪精衛，使得汪精衛遭受到重大政治打擊，陳公博便是在此時雪裡送炭前往支持汪精衛並加入汪政權的。
陳公博周佛海後來是汪政權中最核心人物，汪精衛死後，陳公博代理汪政權主席，抗戰勝利審判漢奸，以他地位之高，難逃死路一條。陳公博受審判時婉拒聘請律師，但他自己做了長篇答辯，為汪精衛代明心跡。陳公博被判死刑，法官告訴他可向最高法院申請覆判，但他表示放棄申請覆判。
陳公博的死刑於1946年6月3日在蘇州獅子口江蘇第三監獄執行。死刑執行前他正在寫一副對聯，是應管理犯人的典獄長索求而寫，聯語是：大海有真能容之量，明月以不常滿為心。據《汪政權的出場與退場》作者金雄白的解讀，上聯似乎還寄希望於國民政府當局能放寬氣度，對於並非真是什麼“民族罪人”，或者政府曾經加以運用或利用的“漢奸”分子，加以寬容，要如大海能容百川之所灌注。下聯是對當局的諷諫，希望政府不要因勝利而驕盈，能如明月有心，一輪豈能常園？
當對聯寫到還剩下三字時，執法人員站到身後，陳公博知道最後時刻來了，他請執行人員容他寫完，之後回到監獄個室抽了一支煙，躊躇良晌找到一把小茶壺，雙手捧着退出監房，徑直走到陳碧君羈囚獄房，深鞠一躬說：“夫人，請恕我先去，今後請夫人保重！我此去，可以有面目見汪先生於地下了！獄中別無長物，一把常用的茶壺，就留給夫人做個紀念吧！”陳碧君是個女強人，極少流淚，此時縱聲痛哭。她當初因陳公博反對汪精衛離開重慶，曾經厲聲對陳公博吼道：“你反對，那你儘管做你蔣介石的官去。”
陳公博被帶到法庭上宣布執行死刑，執行前他要求寫兩份遺書。一份給家屬，一份給蔣介石——想要最後陳述對於今後時局發展的意見，第二份寫到一半，看看表，嘆口氣說，當局自有成竹在胸，將死之人，說了也未必有用，不如不寫了吧。隨後轉身請法官在他死後將遺書代交家屬，又與監刑官書記官等握手道別，法官們居然也情不自禁與他握手，可謂千古奇聞。
刑場在第三監獄內，當局對陳公博優待，未加五花大綁，手腳也未加刑具。將抵刑場時，陳公博回身對法警說：“請多幫忙，為我做得乾淨一些”，走到刑場一半時，法警不讓他知道，從身後開槍，子彈從前面穿出，陳公博撲倒地上，抽搐數分鐘後氣絕身亡。
陳公博死後屍體火化由他家屬運送上海悄悄埋葬於一公墓中，不立墓碑。
陳公博遺有妻和二子，夫人李勵荘，子陳干陳邁。陳公博死後，陳干赴美留學，後任職於西屋電子公司為工程師，奉母居美。
陳公博死後，獄中另一個漢奸梁鴻志心事重重，寫了一首哀輓陳公博的七律，其中有兩句云：逝者如斯行自念，路人猶惜況相親。之後不久梁鴻志就跟着槍斃了。