Косиор выдержал большинство пыток, отказываясь подписывать признание, и сдался только тогда, когда перед ним насиловали его 16-летнюю дочь.

26 февраля 1939 года он был приговорён к расстрелу. Приговор приведён в исполнение в тот же день В. М. Блохиным.

После смерти Сталина Косиор был реабилитирован советским правительством 14 марта 1956 года.

13 января 2010 года Апелляционный суд Киева признал Косиора одним из организаторов «геноцида на Украине в 1932—1933 годах».