Осенью 1941 года Зоя Космодемьянская ушла на войну добровольцем, став бойцом части 9903 штаба Западного фронта, которая вела разведывательно-диверсионную деятельность. Зою Космодемьянскую в числе других добровольцев обучали навыкам разведывательной работы на передовой и в тылу врага, в том числе сапёрному и минному делу, навыкам связиста, поджигателя и непосредственно разведчика по добыче необходимой информации. Практически сразу же Зоя была привлечена к устройству минных заграждений в районе Волоколамска. А 17 ноября 1941-го Ставкой Верховного главнокомандования был издан приказ №0428. Согласно этому документу, мирное население надлежало эвакуировать из прифронтовой полосы, а здания, в которых останавливались немцы, на расстоянии 40-60 км в глубину от переднего края и на 20-30 км вправо и влево от дорог уничтожались. Выполнить это задание должна была в том числе и часть, в которой служила Зоя. 18 ноября в Подмосковье были направлены две разведывательно-диверсионные группы по десять человек в каждой, в составе одной из них на задание вышла и Космодемьянская. На вооружении у бойцов были бутылки с зажигательной смесью и пистолеты. В случае прямого столкновения с гитлеровскими фронтовыми частями шансов выжить практически не было. В районе деревни Головково обе группы попали в засаду и понесли потери, после чего объединились под руководством Бориса Крайнова. Часть партизан были захвачены в плен, но даже под пытками не выдали своих товарищей, благодаря чему у находившихся на воле ещё оставалась возможность выполнить задание. В деревне Петрищево, которая служила базой для перемещающихся нацистских войск, советские диверсанты подожгли три дома. Зоя уничтожила здания, в которых остановились немецкие солдаты. Затем отошла, разминулась с товарищами и вернулась в деревню, чтобы поджечь конюшню, в которой гитлеровцы хранили боеприпасы и снаряжение».

Нацисты создавали из местных жителей, согласных служить им, иррегулярные коллаборационистские формирования. Члену одного из них, Свиридову, принадлежала хозяйственная постройка, которую как раз пыталась поджечь Зоя. Заметив девушку, коллаборационист доложил о её появлении немцам, и Зоя была схвачена. За свою услужливость Свиридов получил от нацистов бутылку водки, однако после освобождения Подмосковья советский суд приговорил его к смертной казни.

Зою через переводчика допрашивали три гитлеровских офицера. Девушка представилась Таней и на вопросы оккупантов отвечать отказалась. В ответ разъярённые нацисты прибегли к жестоким пыткам, в перерывах между которыми выгоняли пленницу босиком в одном белье на мороз, но ничего от неё так и не добились. В издевательствах над Зоей принимали участие двое местных коллаборационистов, которые после прихода советских войск были расстреляны по решению суда.
Во время многочасовых допросов и ужасных пыток Зоя не выдала ни своих товарищей, ни места расположения партизан, которые помогали передвигаться диверсантам в немецком тылу.
Утром 29 ноября 1941 года нацисты соорудили виселицу и повели Зою на казнь, повесив ей на грудь табличку с надписью: «Поджигатель домов». Перед смертью девушка с петлёй на шее громко обратилась и к сельчанам, и к немцам. Соотечественников она призвала бить оккупантов, сказала им, что не боится умирать и что «Сталин придёт». А когда немцы попытались закрыть ей рот, крикнула им, что они могут повесить её, но не 200 млн советских граждан, и пообещала гитлеровцам месть за свою смерть. После этого нацисты выбили из-под ног Зои ящики от макарон, на которые она поднялась перед казнью.

Всю процедуру повешения палачи тщательно фиксировали, делая фотографии. Именно их впоследствии обнаружат у убитого солдата вермахта под Смоленском. Немцы оставили тело Зои висеть в петле ещё на месяц. А в последние дни декабря раздели его и изрезали ножами. Только после этого местным жителям разрешили захоронить останки. После освобождения Подмосковья их перенесли на Новодевичье кладбище.

О трагической судьбе девушки-разведчицы узнал от местных жителей военкор Пётр Лидов, опубликовавший 27 января 1942 года в «Правде» статью под заголовком «Таня». Вскоре личность погибшей была установлена, и уже 16 февраля Зое Космодемьянской было присвоено звание Героя Советского Союза посмертно.