Dans le but d’organiser rapidement la relève à la tête de l’Armée secrète qui vient d’être décapitée par l’arrestation à Paris du général Delestraint, Moulin en convoque les responsables pour le 21 juin 1943 à Caluire, dans la banlieue de Lyon, chez le Docteur Dugoujon. Mais à la suite de dénonciations, la police de sécurité allemande (SIPO-SD) menée par Klaus Barbie intervient : tous sont arrêtés et emmenés à la prison du Fort Montluc.

Interrogé par Barbie qui l’identifie après deux ou trois jours, Jean Moulin ne dit rien. Il est transféré début juillet avenue Foch à Paris puis dans une villa de Neuilly, où la Gestapo avait coutume « d’interroger » des personnalités importantes ; sans que l’on sâche réellement si c’est à cause des tortures subies ou parce qu’il a tenté de se suicider, son état de santé est désespéré. C’est vraisemblablement pour tenter de le soigner et de le conserver comme otage qu’il est transféré en Allemagne. C’est dans le train, quelque part entre Metz et Francfort, alors qu’il n’a déjà plus figure humaine, qu’il meurt le 8 juillet 1943.

Ses cendres, jusqu’alors déposées au Père Lachaise, ont été transférées au Panthéon le 19 décembre 1964.