После вынесения приговора многие из близких Петру людей пытались умилостивить его, упирая на то, что, мол, девица поступала бессознательно, с испуга, ей было стыдно. Более других хлопотали за Марию сама царица Екатерина Алексеевна и вдовствующая царица Прасковья Федоровна. Последняя даже пригласила царскую семью к себе в гости и пыталась в непринужденной застольной беседе уговорить царя помиловать Марию. Но Петр был непреклонен: проливший невинную человеческую кровь должен умереть, закон должен быть исполнен, и он-де не в силах его отменить. Причем царь был так решителен, что, почувствовав его гнев, старая царица постаралась «шуточным прикладом речь свою замять». В другом случае, когда вновь стали просить за Марию, царь вспомнил историю другого своего денщика, Васьки Поспелова, который женился на брюхатой от него фрейлине, и ничего! Причем невеста еле ходила вокруг аналоя, и в этот день царь гулял на свадьбе, а назавтра он участвовал уже в крещении новорожденного младенца, одобряя со смехом супругов за похвальную быстроту в производстве слуг Отечества.
Все ходатаи и просители за Марию, выслушивая рассуждения и шутки государя, понимали, что дело не в бессилии самодержца изменить подвластные ему законы и не в примере Поспелова. Просто все знали, что младенцы, убитые Гамильтон, возможно, были детьми самого Петра, и именно этого, как и измены за его спиной, царь не мог простить своей бывшей фаворитке.
14 марта 1719 года преступницу возвели на эшафот, устроенный на Троицкой площади. Она же все еще продолжала верить, что государь ее помилует. Чтобы разжалобить монарха, Гамильтон облачилась в праздничное, белое платье с черными лентами и, когда появился Петр, встала перед ним на колени. Государь помилования ей не объявил, но обещал, что рука палача ее не коснется, — известно, что во время казни палач грубо хватал казнимого, обнажал его и кидал на плаху... Гамильтон и окружающие замерли в ожидании окончательного решения царя. Он что-то прошептал на ухо палачу, и тот вдруг взмахнул широким мечом и в мгновение ока отсек голову стоящей на коленях женщине. Так Петр, не нарушив данного Марии обещания, заодно опробовал привезенный с Запада особый палаческий меч — новое в России орудие казни, впервые тут использованное вместо примитивного топора.
Современники писали, что после казни государь поднял голову Марии за ее роскошные волосы и поцеловал в неостывшие еще губы, а затем стал объяснять своим помертвевшим спутникам особенности кровеносных сосудов, питающих мозг человека. После показательного урока анатомии голову Марии было приказано заспиртовать в Кунсткамере, где она и пролежала полвека в банке вместе с монстрами коллекции первого русского музея. В 1780 году директор Санкт-Петербургской академии наук княгиня Е. Р. Дашкова, наводившая порядок в этом учреждении, заметила, что в Кунсткамере идет большой перерасход спирта. Обычно грешили на служащих, которые, подобно служителям зоопарка, экономившим мясо на зверях, спирт в экспонаты недоливали, а в расход его тем не менее писали. Чтобы это безобразие прекратить, спирт для экспонатов коллекции Рюйша (знаменитая коллекция монстров в банках) настаивали на лютом черном кайенском перце, затруднявшем его потребление любителями хмельного. А тут выяснилось, что спирт расходуется на какие-то две головы, которые хранятся в подвале, в закрытом сундуке. Выяснилось, что в банках находятся головы Виллима Монса и Марьи Гамильтон. Дашкова донесла о страшной находке императрице Екатерине II. Та приказала доставить банки во дворец, рассмотрела их, подивилась тому, что лицо Марии еще сохранило следы красоты, и распорядилась где-нибудь головы закопать, что и было сделано. Впрочем, у этой истории есть свое продолжение. Один из иностранцев, побывавших в Кунсткамере в 1830 году, рассказывал, что посетители, развесив уши, слушали рассказ сторожа о том, что некогда государь Петр Великий приказал отрубить голову самой красивой из своих придворных дам и заспиртовать ее, чтобы потомки знали, какие же красивые женщины родятся на Руси, и при этом показывал на заспиртованную в банке голову двенадцатилетнего красивого ребенка с нежным лицом и длинными ресницами, а потом за рассказ получал двугривенный «на водку».