В 1866 году ситуация в Мексике решительным образом изменилась: Хуарес перешел в контрнаступление на севере и юге страны. Император лично водил в атаку свои редеющие войска, но шансы на успех убывали с каждым сражением. Шарлотта отплыла в Европу, где попыталась заручиться поддержкой великих держав для своего супруга. Эта миссия оказалась для нервной, склонной к рефлексии женщины непосильным бременем: во время визита в Рим, к Папе, у Шарлотты начались припадки безумия. Она страдала манией преследования и тяжелыми депрессиями. Состояние императрицы быстро ухудшалось; вскоре она уже ничего не помнила и никого не узнавала. В таком состоянии несчастная и провела остаток своей необычайно долгой жизни — она умерла в 1927-м, когда уже мало кто вспоминал не только о злополучном мексиканском Габсбурге, но и о погубившем его Хуаресе, и о предавшем его Бонапарте.
К началу 1867 года император Мексики все меньше походил на монарха и все больше — на пленника. Думал ли он о возвращении в Европу, в Австрию? Наверняка, но и здесь габсбургское честолюбие сыграло роковую роль: вернуться домой означало признать свое поражение, отказаться от высокой миссии, к которой, как был убежден Максимилиан, его призвал Бог. Он остался, и вскоре ловушка захлопнулась. Войска Хуареса окружили город Керетаро, где с остатками своей армии укрылся император, и в ночь на 15 мая полковник Лопес, перешедший на сторону республиканцев, открыл им ворота города.
Максимилиан был взят в плен. Несмотря на просьбы помиловать его, направленные Хуаресу лидерами ряда европейских стран и президентом США Эндрю Джонсоном, 19 июня 1867 года «Максимилиан Габсбург, называющий себя императором Мексики», был расстрелян на вершине холма в окрестностях Керетаро вместе с двумя генералами, Мирамоном и Мехией, которые остались верны ему до конца. Перед казнью Максимилиан через личного врача отправил прощальные послания матери и старшему брату, безуспешно пытавшемуся спасти его. «Дорогой брат! — писал Максимилиан Францу Иосифу. — Волею судьбы я вынужден принять незаслуженную смерть. Посылаю тебе эти строки, чтобы от всего сердца поблагодарить за братскую любовь и дружбу. Пусть Бог дарует тебе счастье, мир и благословит тебя, императрицу и милых детей. От всего сердца прошу простить меня за совершенные ошибки и неприятности, которые я тебе доставил… Прошу тебя не забывать о верных австрийцах, которые преданно служили мне до конца моего жизненного пути — тем более, что с горечью вынужден признать, что эта страна ничего для них не сделала. С горячей любовью обнимаю тебя, передаю сердечный привет императрице и дорогим детям и прошу вас поминать мою бедную душу в ваших молитвах…»