Năm 36 tuổi, anh Tuấn bị bắt và giải về phủ Xuân Trường, sau đó bị phân sáp đến làng An Bái thuộc huyện Thụy Anh. Tháng 8 năm 1861, thi hành sắc chỉ cấm đạo của triều đình, quân lính đã dùng dao khắc lên má anh hai chữ "tả đạo" bên trái và tên làng xã bên phải. Những tháng ngày lao tù khắc nghiệt, thiếu thốn cả cơm ăn, nước uống khiến sức khỏe anh suy sụp trầm trọng.

Tưởng rằng trong cơn nguy khốn, con người dễ lung lay ý chí, quan thượng nghĩ rằng đây là thời điểm thuận lợi để ép anh bỏ đạo, hòng được trở về sum họp với gia đình. Nhưng vị quan ấy đã lầm. Người nông dân chất phác ấy vẫn một lòng kiên trung, không chút run sợ trước bản án tử hình. Được nâng đỡ bởi ân sủng phi thường, anh can đảm tuyên xưng niềm tin sắt son vào Chúa Kitô. Trước mặt quan quân, anh không những không bước qua ảnh thánh mà còn quỳ xuống cung kính hôn ảnh Chúa chuộc tội.

Ngày 7 tháng 6 năm 1862, trên đường ra pháp trường Nam Định, người nông dân hiền lành ấy lặng lẽ quỳ xuống trên mảnh chiếu hoa, thì thầm tên Chúa Giêsu trước khi đao phủ thi hành án xử trảm. Hai năm sau, thi hài anh được giáo dân trọng thể rước về mai táng trong khuôn viên nhà thờ Nam Điền.

Gương hy sinh anh dũng của vị chứng nhân đức tin Giuse Trần Văn Tuấn đã được Giáo hội tôn vinh. Ngày 29 tháng 4 năm 1951, anh được nâng lên hàng Chân Phước, và ngày 19 tháng 6 năm 1988, anh được tuyên phong Hiển Thánh.