فاطمی در زمان معرفی به‌عنوان وزیر امور خارجه هیچ تجربه دیپلماتیکی نداشت. او در عرصه سیاست داخلی چهره‌ای مشهور بود و هرچند عمده فعالیت‌هایش دست‌کم در این برهه بر مخالفت با استیلای بریتانیا بر منابع نفتی ایران متمرکز بود مقالات و سخنرانی‌ها و رایزنی‌های سیاسی او را نمی‌توان مصداق فعالیت دیپلماتیک دانست.
حسین فاطمی، وزیر امورخارجه دولت دکتر محمد مصدق اگر مشهورترین وزیر امور خارجه تاریخ ایران نباشد یکی از مشهورترینِ آن‌ها خواهد بود. اما شاید کمتر کسی بداند یا به این نکته توجه کرده باشد که حسین فاطمی اساساً دیپلمات نبود و اقدام دیپلماتیک شاخصی نیز از او سر نزد و در واقع این خود مصدق بود که مسئولیت اصلی اقدامات دیپلماتیک دولتش را بر دوش می‌کشید.
به گزارش هم میهن، از حسین فاطمی به‌عنوان نخستین روزنامه‌نگار ایرانی که تحصیلات علمی در این رشته را در پاریس گذراند، یاد می‌شود. آنچه که بیش از همه در کارنامه حسین فاطمی پررنگ‌تر است، حرفه روزنامه‌نگاری او و مقالات تند و آتشین‌اش در روزنامه باختر و باختر امروز بود که او را در عرصه سیاست ایران برکشید و چنان در نزد دکتر محمد مصدق عزیز کرد که او را پسر سوم خود خطاب کرده و به وزارت امور خارجه گمارد.
حسین فاطمی که بی‌شک پرشورترین و جسورترین حامی و هوادار دکتر مصدق بود با روزنامه خود به نام باختر امروز به تریبون اصلی جبهه ملی بدل شد و جسورانه‌ترین دفاع‌ها را از دولت مصدق انجام داد و در همین راه نیز خشم محمدرضاشاه‌پهلوی و خاندان او را فراهم کرد و در نهایت بر سر همین جان خود را از دست داد.
حسین فاطمی در دوران روزنامه‌نگاری خود بارها به زندان افتاد و در دوران نهضت ملی شدن صنعت نفت نیز یک بار توسط محمدمهدی عبدخدایی نوجوان عضو جمعیت فدائیان اسلام و یک بار پس از دستگیری توسط شعبان جعفری ترور شد و با بدنی زخمی که در تب می‌سوخت در دادگاه نظامی ارتش محاکمه و به اعدام محکوم و در ۱۹ آبان ۱۳۳۳ تیرباران شد و کسی که روزی «نشان همایون» را از دستان محمدرضاشاه پهلوی دریافت کرده بود، خاطره‌اش با عنوان شهید دکتر حسین فاطمی به یکی از تراژدی‌های تاریخ معاصر ایران و نماد مخالفت با سلطنت پهلوی بدل شد.
حسین فاطمی در سال ۱۲۹۶ به دنیا آمد یعنی دو سال پیش از تولد محمدرضاپهلوی؛ البته در تاریخی که پدرش پشت قرآن تولد سیدحسین را ذکر کرده، نیم‌روز عاشورای سال ۱۳۳۸ هجری قمری است که برابر با ۱۲ مهر ۱۲۹۸ خورشیدی است. پدرش سیدمحمدعلی سیف‌العلماء از نوادگان قاضی نورالهدی نائینی و از سادات و علمای مشهور نائین بود.
تحصیلات خود را در کالج میسینوری انگلیسی‌ها در اصفهان که برادرش سیدنصرالله نیز در آنجا تحصیل کرده و مشغول به تدریس بود، تمام کرد. از طریق برادرش سیدنصرالله سیف‌پور فاطمی وارد سیاست شد. سیدنصرالله فاطمی با کسب امتیاز نشریه باختر برادرش حسین را وارد دنیای روزنامه‌نگاری کرد؛ باختر جزء نخستین مجلات به سبک جدید در ایران بود و نامدارانی چون ملک‌الشعراء بهار، سعید نفیسی و دکتر رضازاده شفق با اینکه در تهران بودند، نوشته‌های خود را در این مجله انتشار می‌دادند.
باختر در زیبایی چاپ، نفاست کاغذ و کاربرد عکس‌ها و طرح‌های متعدد، از بهترین مجلات زمان به‌شمار می‌رفت. حسین فاطمی به تهران رفت و در دانشگاه تهران شروع به کار کرد. او در دوران دانشجویی در روزنامه ستاره متعلق به احمد ملکی شروع به کار کرد.
نصرالله فاطمی مدتی شهردار شیراز شد و پس از آن حسین به اصفهان بازگشت و مدیریت نشریه باختر را برعهده گرفت و در همین زمان بود که برای نخستین بار به خاطر انتقاد از دست‌نشانده و بی‌اختیار بودن نمایندگان مجلس زندانی شد و تنها پس از شهریور ۱۳۲۰ بود که از زندان آزاد شد. پس از شهریور با بازشدن فضای سیاسی حسین فاطمی اولین فعالیت آشکار سیاسی خود را در اصفهان آغاز کرد. مجلس بزرگداشتی برای سیدحسن مدرس در اصفهان برگزار کرد و برای اولین‌بار مدرس را «شهید» خواند.
حسین فاطمی در همین دوران انتقاد از شخصیت‌هایی چون محمدعلی فروغی به‌خاطر همکاری با بریتانیاهایی که ایران را اشغال کرده بودند پرداخت و مجدداً به این خاطر زندانی شد و پس از آزادی انتقاد از دولت سهیلی را به دلیل ادامه راه دولت فروغی و همکاری با بریتانیاهایی مورد انتقاد قرار داد و مقاله «خدا، ایران و آزادی» را علیه دولت سهیلی منتشر کرد و دولت او را به خیانت متهم کرد.
در همین زمان نصرالله سیف‌پورفاطمی برادر بزرگتر حسین فاطمی در سال ۱۳۲۲ به‌عنوان نماینده نجف‌آباد و فریدن وارد مجلس شورای ملی شد و با وجود برخی اعتراضات به اعتبارنامه‌اش به عضویت مجلس درآمد اما دوره نمایندگی را در سال ۱۳۲۴ نیمه‌کاره رها کرد و عازم انگلستان و سپس آمریکا شد و در دانشگاه پرینستون دکترای تاریخ سیاسی گرفت و در همان دانشگاه به تدریس تاریخ خاورمیانه مشغول شد.
در دوره دکتر مصدق، به ایران دعوت و مشاغلی به او پیشنهاد شد که هیچ‌کدام را جز نمایندگی ایران در سازمان ملل و یونسکو نپذیرفت. اقدامات او پس از سال ۱۳۳۲ برای نجات برادرش دکتر حسین فاطمی به جایی نرسید. وی از سال ۱۹۶۰ تا ۱۹۸۱ در دانشگاه فرلی دیکینسون نیوجرسی تدریس کرد.
حسین فاطمی در ابتدای دهه ۲۰ با روزنامه‌های توده‌ای وارد جبهه مشترک آزادی شد اما به‌زودی با پی بردن به وابستگی حزب توده به شوروی از آنان جدا شد و به جبهه مطبوعاتی استقلال به رهبری سیدضیاالدین طباطبایی پیوست اما از او نیز جدا شد و به منتقد سیدضیاء تبدیل شد.
در این دوران موضوع نفت به صورت جدی در مجلس شورای ملی مطرح بود. درحالی‌که اتحاد جماهیر شوروی ضمن اشغال آذربایجان و کردستان و روی کارآوردن دولت‌های دست‌نشانده در آنجا به‌دنبال کسب امتیاز نفت شمال از دولت‌های ایران بود، طرحی در مجلس تصویب شد که تا زمانی که ایران در اشغال نیروهای متفقین باشد دولت حق مذاکره و واگذاری هیچ امتیازی به دولت‌های خارجی را ندارد و با تصویب این طرح راه برای واگذاری امتیاز نفت شمال تا زمان خروج شوروی و انگلیس از ایران بسته شد.
توده‌ای‌ها استدلال می‌کردند که چون امتیاز نفت جنوب ایران در اختیار بریتانیایی‌هاست، ایران باید برای ایجاد موازنه میان دوقدرت امتیاز نفت شمال را نیز به شوروی واگذار کند. در سال ۱۳۲۴ هم‌زمان با سفر برادرش نصرالله به انگلستان و آمریکا برای تحصیل، حسین فاطمی نیز برای تحصیل در مقطع دکترا عازم فرانسه شد و توانست با دریافت مدارک دیپلم مدرسه مطالعات عالی بین‌المللی، دیپلم مدرسه روزنامه‌نگاری، دیپلم مدرسه مطالعات عالی اجتماعی، دیپلم مدرسه اجتماعی و کسب مدرک دکترا در سال ۱۳۲۷ به ایران بازگردد.
فاطمی در دوران حضور در پاریس همچنان در نشریه ستاره به مدیریت احمد ملکی و مرد امروز به مدیریت محمد مسعود مقاله می‌نوشت. در زمان حضور حسین فاطمی در پاریس بود که محمد مسعود در تهران ترور شد. ۱۵ بهمن ۱۳۲۷ محمدرضاشاه پهلوی نیز در دانشگاه تهران توسط ناصر فخرآرایی خبرنگار روزنامه «پرچم اسلام» که در عین حال با حزب توده نیز در ارتباط بود ترور شد و همین امر مجوز لازم برای برخورد با حزب توده و هواداران آیت‌الله کاشانی را فراهم کرد.
شاه با استفاده از فضای پدیدآمده پس از این ترور دستور تشکیل مجلس مؤسسان برای تغییر قانون اساسی را داد و طی آن اختیار مهم انحلال مجلس را کسب کرد. در سال بعد یعنی ۱۳۲۸ برگزاری انتخابات شانزدهم در پیش بود و بیم آن می‌رفت که دربار در ادامه سیاست بستن فضای سیاسی در انتخابات مداخله و نتایج آن را دستکاری کند و به همین روی محمد مصدق از مطبوعات همسو با خود دعوت کرد تا برای برگزاری انتخابات آزاد جبهه متحدی را تشکیل دهند.
نخستین جلسات مشترک در منزل محمد مصدق برگزار شد و همین جلسات مقدمه تشکیل جبهه ملی شد. کمیسیون تبلیغات جبهه ملی نیز با همکاری فاطمی، مظفر بقائی، ابوالحسن حائری‌زاده، عبدالقدیر آزاد، حسین مکی، خلیل ملکی و عباس خلیلی تشکیل شد. با تحصن اعضای جبهه ملی و فشار به دولت علی رزم‌آرا انتخابات در فضایی نسبتاً معقول برگزار شد و ۸ نفر از اعضای جبهه ملی وارد مجلس شدند که مصدق به‌عنوان نفر اول تهران در میان آن‌ها، شاخص بود.
درحالی‌که مجدداً موضوع واگذاری امتیاز نفت شمال به شوروی در مجلس مطرح شده بود محمد مصدق با طرح سیاست موازنه منفی در مجلس به مخالفت با سیاست موازنه مثبت پرداخت و خواستار ملی کردن صنعت نفت ایران و بازپس‌گیری امتیاز به بیگانگان شد. این طرح در کمال شگفتی در ۲۹ اسفند ۱۳۲۹ در مجلس شورای ملی به تصویب رسید و با وجود آنکه نمایندگان جبهه ملی تعداد انگشت‌شماری بودند اما مجلس پیشنهاد نخست‌وزیری مصدق را ارائه داد.
مصدق با پذیرش پیشنهاد ۱۲ اردیبهشت اعضای کابینه خود را معرفی کرد و سیدحسین فاطمی نیز عهده‌دار مسئولیت معاونت سیاسی و پارلمانی مصدق شد. در دولت نخست مصدق از ۱۱ اردیبهشت ۱۳۳۰ تا ۲۶ تیر ۱۳۳۱ سیدباقر کاظمی رجل صاحب‌نام و وزیر امور خارجه پیشین در دوران رضاشاه وزارت امور خارجه را برعهده داشت و پس از دولت چند روزه احمد قوام از ۲۷ تا ۳۰ تیر علی سهیلی عهده‌دار این مسئولیت شد.
پس از آن مصدق مسئولیت وزارت امور خارجه را به حسین نواب سپرد. نواب سرکنسول ایران در لاهه هلند بود و در جریان طرح شکایت انگلستان از ایران مورد توجه دکتر مصدق قرار گرفت و پیشنهاد وزارت امور خارجه را دریافت کرد. غلامحسین مصدق در کتاب «درکنار پدرم، مصدق» ماجرای انتصاب و استعفای نواب به سمت وزیر امور خارجه را چنین توصیف کرده‌است: «خدمات و کوشش‌های صادقانه نواب در دیوان دادگستری، پدرم را تحت تأثیر قرار داد.
وی ضمن قدردانی از او توصیه کرد مصدر خدمات مهمتری باشد. به نواب، که در آن موقع وزیر مختار ایران در کشورهای بلژیک و هلند بود پیشنهاد شد مسئولیت وزارت خارجه یا سفارت ایران در واشینگتن را عهده‌دار شود. وی وزارت خارجه را انتخاب کرد و مشغول به کار شد، اما دوران وزارتش بسیار کوتاه بود و بر سر تعویض یکی از اعضای عالی‌رتبه وزارت خارجه از کار کناره‌گیری کرد… وی در برابر توصیه، دستور و امر نخست‌وزیر ایستادگی کرد و سرانجام استعفا داد. ایستادگی نواب برای حفظ اصولی که بدان اعتقاد داشت، نشانه عظمت شخصیت و استحکام قدرت روحی و اخلاقی وی بود.»
در پی این بود که مصدق، سیدحسین فاطمی را به‌عنوان وزیر امور خارجه معرفی کرد. سازمان سیا درباره حسین فاطمی در این برهه نوشته است: «فاطمی، وزیر امور خارجه، بی‌باک، جاه‌طلب و یک بازوی قدرتمند تاکتیکی است و ممکن است قدرتش افزایش یابد.» فاطمی در زمان معرفی به‌عنوان وزیر امور خارجه هیچ تجربه دیپلماتیکی نداشت.
او در عرصه سیاست داخلی چهره‌ای مشهور بود و هرچند عمده فعالیت‌هایش دست‌کم در این برهه بر مخالفت با استیلای بریتانیا بر منابع نفتی ایران متمرکز بود مقالات و سخنرانی‌ها و رایزنی‌های سیاسی او را نمی‌توان مصداق فعالیت دیپلماتیک دانست.
فریدون مجلسی، دیپلمات سابق وزارت امور خارجه درباره واکنش کارکنان وزارت امورخارجه به وزارت فاطمی می‌گوید: «وزارت [دکتر حسین] فاطمی ۳۳ساله که از دید کارمندان وزارت خارجه واجد شرایط تحصیلی و تجربه کاری دیپلماتیک هم نبود، با مقاومت کارمندان اصولاً محافظه‌کارتر وزارت امور خارجه مواجه شد که وزارت او را برنمی‌تافتند و ریزش حامیان دکتر مصدق در میان کارمندان وزارت خارجه با سرعت آغاز شد. فقط نسل جوان‌تر مانند ایرج پزشکزاد و دوستانش یا عزالدین کاظمی که پدرش وزیرخارجه و معاون مصدق بود، کم و بیش و نه‌چندان آشکار به مصدق وفادار بودند.»
در واقع مصدق زمانی فاطمی را به‌عنوان وزیر امور خارجه منصوب کرد که دولتش در سراشیبی سقوط قرار گرفته بود. باعدم نرمش مصدق برابر انگلیس و نیافتن متحد یا حتی مشتری دیگری برای نفت ایران دولت توانایی اقتصادی اداره کشور را از دست داده بود. دولت مصدق با جدیت اقدام به اخراج نیروهای انگلیسی از تاسیسات نفتی ایران کرد و در مقابل تحریم محموله‌های نفتی ایران توسط بریتانیا نیز کوتاه نیامد و با وجود کاهش درآمد و مشکلات اقتصادی ناشی از آن حاضر به مصالحه با شرکت نفت ایران و انگلیس نشد.
بن‌بست سیاسی در عرصه داخلی نیز مشهود بود و مصدق با رنجاندن متحدین مذهبی خود به رهبری آیت‌الله کاشانی در عرصه سیاسی نیز تنها مانده بود. مصدق بدون اینکه به‌دنبال راه‌حلی برای بن‌بست‌های پیش روی دولت باشد با اصرار بر مواضع غیرقابل تغییر خود حاضر به هیچ مصالحه‌ای با رقبا و حتی دوستان پیشین خود نبود.
به اتحاد با حزب توده که اساساً باور نداشت و با دربار نیز به خاطر سوءظن همکاری با بریتانیا پشت کرده بود و اساساً معتقد بود شاه حق دخالت در امور اداره کشور را ندارد. در واقع آنچه که به بن‌بست سیاسی کشور افزود رفراندم مصدق برای انحلال مجلس بود که علاوه بر اینکه در قانون اساسی چنین شرایطی پیش‌بینی نشده بود کشور را بدون مجلس در شرایط بحرانی قرار داد و عده زیادی از متحدین مصدق را در مجلس از او ناامید و یا منفعل کرد. مصدق امیدوار بود با تکیه بر توده‌ها بتواند شرایط متزلزل دولت را ادامه دهد اما برنامه‌ای برای برون‌رفت از این شرایط نداشت.
مصدق امیدوار بود که بتواند با کمک یکی دیگر از قدرت‌های خارجی تاسیسات نفتی ایران را راه‌اندازی کرده و برای آن مشتری پیدا کند. دو قدرتی که به آن‌ها امید می‌رفت یعنی شوروی و آمریکا در این زمینه اقدام مثبتی نکردند. دکتر مصدق در سفر به ایالات متحده آمریکا که حسین فاطمی او را همراهی می‌کرد با هری ترومن نیز دیدار کرد و امیدوار بود بتواند نظر آمریکایی‌ها را برای مشارکت در صنعت نفت ایران جلب کند.
اسناد آمریکایی نیز نشان می‌دهد که واشنگتن نیز به این امر بی‌میل نبوده اما جدیت و اصرار بریتانیا مانع از مداخله آمریکا شده است. حسین فاطمی نیز ابتکار تازه‌ای در عرصه دیپلماسی رقم نزد او در سایه نخست‌وزیر کاریزما به یار پرشور و جسور بدل شد تا پیشروتر از نخست‌وزیر پیر به دشمنان او بتازد و در صدر این دشمنان دربار و انگلستان قرار داشتند.
فاطمی در مهمترین حضور دیپلماتیک خود مصدق را در سفر به آمریکا برای شرکت در جلسه شورای امنیت سازمان ملل و دفاع از حقوق ایران در مقابل شکایت بریتانیا همراهی کرد. مصدق در این سفر با ترومن رئیس‌جمهور و دین آچسن وزیر امور خارجه ایالات متحده آمریکا دیدار کرد اما از حسین فاطمی جز تصویری که در جلسه شورای امنیت پشت سر محمد مصدق نشسته است اثری در این سفر نیست. در همین سفر بود که مصدق با ممانعت از حضور نصرالله انتظام در جلسه با رئیس‌جمهور آمریکا کارکنان وزارت امور خارجه را رنجاند. قطع رابطه با انگلستان و تعطیلی سفارت این کشور نیز که به حسین فاطمی نسبت داده می‌شود مصوبه هیت وزیران بود و وزارت امور خارجه تنها مجری این مصوبه بود.
با وقوع کودتای ناکام ۲۵ مرداد حسین فاطمی در صدر هواداران مصدق به سخنرانی و نشر مقاله پرداخت و تندترین حملات را متوجه دربار و شخص شاه کرد. در روزنامه باختر امروز در فاصله ۲۵ تا ۲۷ مرداد از شاه به‌عنوان «فراری بغداد» یاد می‌کرد و به تندی به دربار می‌تاخت. در میدان بهارستان نیز نطق تندی علیه شاه ایراد کرد.
روز ۲۵ مرداد ۱۳۳۲ پس از کودتای نافرجام لشکر گارد، شاه از رامسر به بغداد رفت. دکتر حسین فاطمی وزیر امور خارجه وقت تلگرافی به مظفر اعلم سفیر ایران در بغداد ارسال کرده و اعلام کرد که شاه منعزل است؛ هیچگونه استقبال و تماسی با وی نباید گرفته شود. اعلم با توجه به دستورالعمل وزارت امور خارجه برخلاف تأکید و اصرار نوری سعید نخست‌وزیر عراق در استقبال از شاه به فرودگاه نرفت؛ که همین رویداد نیز به عمر سیاسی مظفر اعلم پایان داد و او تا سال ۱۳۵۰ اجازه بازگشت به ایران پیدا نکرد.
خود شاه درباره سرنوشت مصدق، رهبران جبهه ملی و اقدامات فاطمی به کرمیت روزولت فرمانده آمریکایی عملیات کودتا می‌نویسد: «میل دارم بدانم در مورد مصدق، ریاحی و دیگران، که علیه شما توطئه کرده‌اند، چه فکری کرده‌اید؟» شاه می‌گوید: «در این مورد زیاد فکر کرده‌ام. مصدق محاکمه می‌شود. (در این موقع لب‌های شاه می‌لرزید) و به سه سال محکوم خواهد گشت… ریاحی نیز مجازات مشابهی دارد. ولی یک استثنا وجود دارد و آن، حسین فاطمی است. او هنوز دستگیر نشده ولی به زودی او را پیدا می‌کنند. فاطمی، بیش ازهمه ناسزاگویی کرد. هم او بود که توده‌ای‌ها را واداشت مجسمه‌های من و پدرم را سرنگون و خرد کنند. او، پس از دستگیری، اعدام خواهد شد».
کرمیت روزولت اول شهریور پس از کودتا به ایران آمده بود و می‌نویسد: «پس از برگزاری تشریفات، شاه به من اشاره کرد و اولین عبارتی که با لحن رسمی ادا کرد، این بود: «من تختم را مدیون خدا و ملتم و ارتشم و شما هستم». سام فال دبیر شرقی سفارت انگلیس در تهران در زمان کودتا نیز درباره فاطمی می‌نویسد: «…اعدام بی‌رحمانه، صرف‌نظر از غیرانسانی بودن آن، ممکن است در مورد مصدق عاقلانه نباشد ولی شاید برای فاطمی، اگر دستگیر شود، بهترین راه‌حل باشد. تا زمانی که اینگونه افراد زنده هستند و در ایران به سر می‌برند، همیشه خطر ضدکودتا وجود دارد، شدت عمل ضروری است».
صبح روز ۲۸ مرداد ۱۳۳۲ گروهی از اراذل و اوباش دفتر روزنامه «باختر امروز» را تخریب کردند. کودتاچیان پیروز مأموریت داشتند که هرجا فاطمی را دیدند، بکشند. فاطمی از روز کودتا تا ششم اسفند در منزل یک پزشک توده‌ای پنهان شد و در نهایت با اطلاع خدمتکار منزل این پزشک دستگیر شد. محاکمه فاطمی در دادگاه نظامی صورت گرفت و به اعدام محکوم شد.
دکتر فاطمی در جریان رسیدگی دادگاه به اتهاماتش گفت: «من دیگر در این لحظات در مقام تظاهر و عوام‌فریبی نیستم و به مرگ خود یقین دارم و آنچه می‌گویم از روی حقیقت است. ما از نهضتی به پیشوایی دکتر مصدق حمایت کردیم که هیچ قصد و غرضی جز عزت و استقلال مملکت نداشت. من برای آن کشته می‌شوم که اولین اقدامم در وزارت بستن سفارتخانه و قطع رابطه با انگلستان بود. هیچ مأیوس نیستم، از هر قطره خون من هزاران نهال می‌روید و با تأیید خداوند قهار، انتقام این ملت ستم‌دیده را از استعمار ناپاک می‌گیرد.»
دکتر شاهین فاطمی درباره آخرین دیدار با عمویش می‌گوید: «دو هفته مانده بود که عازم آمریکا شوم. او در بیمارستان لشگر دو زرهی بود. همه رفته بودند پیش او و التماس کرده بودند این ورقه را امضا کن و نکرده بود. تا وارد شدم گفت: شاهی (شاهین)، می‌دانم برای چه آمدی. گفتم: درست حدس زدید. به سیروس رحم کنید. گفت: اگر من امروز استغفار کنم دیگر هیچ‌کس در این مملکت، حرف کسی را باور نمی‌کند و جواب جوان‌های مملکت را در آینده تاریخ چه کسی خواهد داد که می‌گویند: حتی حسین فاطمی هم وقتی پای جانش افتاد، به گ… خوردن افتاد. اما چنین نکرد و دانسته مُرد».
روزنامه اطلاعات در شماره روز ۱۹ مهر ۱۳۳۳ نوشت: «سپیده‌دم امروز دکتر حسین فاطمی که در دادگاه بدوی و تجدیدنظر به اعدام محکوم شده بود، در میدان تیرِ لشگرِ دو زرهی تیرباران شد و ساعت ۷ صبح امروز این خبر از رادیو تهران انتشار یافت و بلافاصله اطلاعیه دادستان ارتش به این شرح منتشر شد: دکتر فاطمی که در اثر قیام ملی ۲۸ مرداد ۳۲ فراری و در پناه اشرار توده‌ای قرار گرفت و پس از دستگیری و تعقیب و تسلیم به دادگاه به موجب احکام صادره در دادگاه عادی و دادگاه تجدید نظر، اعمالش به منظور به هم زدن اساس حکومت، تشخیص و محکوم به اعدام شد با انجام تشریفات قانونی ساعت ۶ صبح امروز تیرباران گردید.»
مصدق بعد از مرگ وی چنین نوشت: «اگر ملی شدن نفت خدمت بزرگی است از آن کسی که اول این پیشنهاد را نمود باید سپاسگزاری کرد و آن کس شهید راه وطن دکتر حسین فاطمی است. در تمام مدت همکاری با این‌جانب حتی یک ترک اولی هم از آن بزرگوار دیده‌نشد.»
پیکر دکتر فاطمی بعد از اعدام توسط خواهرش سلطنت فاطمی به قبرستان ابن‌بابویه شهر ری منتقل شد و کنار شهدای ۳۰ تیر ۱۳۳۰ به خاک سپرده شد.
