A bestiális gyilkosságot a lengyel állambiztonság egyházellenes harcot folytató D osztályának három munkatársa hajtotta végre. Popieluszko nejlonzsákba helyezett holttestét október 30-án találták meg a Visztula egyik víztározójában, Wloclawek közelében. Keze össze volt kötözve, szájába egy törülköző darabját tömték, nyakára zsinórt tekertek, amelynek végét térdben behajlított lábára kötötték, így minden, szabadulása érdekében tett mozdulata tovább szorította a hurkot a nyakán.
Holttestét olyan súlyos sebek borították, hogy családtagjai is alig tudták azonosítani.
Az ügyészség a pár nappal a gyilkosság után letartóztatott, tettüket beismerő vádlottak közül a végrehajtó Waldemar Chmielewskire, Leszek Pekalára és Adam Pietruszkára szabadságvesztést, felettesükre, Grzegorz Piotrowskira halálbüntetést kért.
Végül 14-től 25 évig terjedő börtönbüntetést kaptak, de valamennyien szabadultak teljes büntetésük letöltése előtt, és megváltoztatott névvel folytathatták életüket Lengyelországban. Már a rendszerváltás után büntetőeljárás indult feletteseik, a felbujtással vádolt Wladyslaw Ciaston és Zenon Platek tábornokok ellen is, de a gyilkosság körülményeit és sugalmazóinak kilétét azóta sem sikerült kideríteni. Ciastont felmentették, Platek pedig meghalt még a büntetőeljárás idején.

Rejtélyes vizsgálat
A vizsgálatot és a Torunban folyó pert számos rejtély és vita övezi: valójában megrendezett színjáték volt, amelyen megpróbálták a vádlottak padjára ültetni az áldozatot és vele az egyházat is. Ráadásul az eseményeket csak a vádlottak vallomásaiból ismerjük. Mieczyslaw Góra államügyész, aki az egykori belügyminisztériumban működő feltételezett bűnszövetkezet ügyében folyó vizsgálatot felügyeli, a Sieci című hetilapnak nyilatkozva elmondta:
Ebben az ügyben semmilyen új ismeretre nem sikerült szert tenni. Sokszor hallottam az elkövetők, köztük Piotrowski vallomásait. Azt állítják, akár hisszük, akár nem, hogy nem állt szándékukban megölni Popieluszkót, és senki sem beszélte rá erre őket. Ez idáig nem találtunk semmilyen új anyagot, amely megkérdőjelezné a per megállapításait.
A tettesek kezdettől kitartottak amellett, hogy az akcióval nem megölni, csupán megfélemlíteni akarták Popieluszkót. De ha ez igaz, miért vittek magukkal zsineget, zsákot, pecket, botokat, köveket és fél liter vodkát, amit a gyilkosság után a visszaúton fogyasztottak el? Azt sem sikerült kideríteni, hogy volt-e valamilyen szerepe az 1981-es hadiállapotot bejelentő Wojciech Jaruzelski tábornoknak, későbbi államfőnek és Czeslaw Kiszczak belügyminiszternek a pap elrablására vagy meggyilkolására adott utasításban.
A gyilkosság ötletadója, akár a lengyel, akár a szovjet kommunista elit tagja volt, nem hagyott maga után tárgyi nyomokat. Az se valószínű, hogy az utasítást írásban adták volna ki
– mondta a lapnak Rafal Latka, a nácizmus és kommunizmus bűntetteit kutató lengyel Nemzeti Emlékezet Intézetének (IPN) professzora. Góra ügyész szerint a bűncselekmény mögött „a hazugság és manipuláció mesterei állnak”, akik az egyházat totális megfigyelés alatt tartották, és módszereik közé tartozott a gyilkosság, emberrablás, a fenyegetések, illetve terhelő anyagok becsempészése a célszemély lakásába. Éltek azzal a jogukkal is, hogy a per során megtévesszék a bíróságot. A dezinformáció sikerrel járt, és sok olyan mítosz táptalaja lett, amelyeket máig nem sikerült kigyomlálni a nyilvánosságból – mondta Latka professzor.