Po powrocie z tej niezbyt udanej dyplomatycznie wyprawy Traugutt, monitowany przez białych, 17 października 1863 roku rozwiązał poprzedni gabinet i przejął całą władzę. Działalność dyktatorską prowadził w ścisłej konspiracji. Podawał się za kupca z Galicji Michała Czarneckiego. Tylko kilku osobom wolno było odwiedzać „prezesa” w jego mieszkaniu przy ul. Smolnej 3. Dyktator był człowiekiem o dużej dyscyplinie wewnętrznej.

Historycy zgodnie twierdzą, że Traugutt wszystkie swe działania poświęcił na ratowanie upadającego powstania. Dwie dziedziny traktował priorytetowo: skarb i wojsko. Nieustannie skarżył się na kłopoty finansowe; zabiegał o pożyczkę w kraju i za granicą. Dekretem z 15 grudnia 1863 roku wprowadził jednolitą organizację wojsk powstańczych. Planował też pospolite ruszenie chłopów na wiosnę 1864 roku. W polityce zagranicznej wykazał się sporym pragmatyzmem. Kiedy zimą 1863 roku stało się oczywiste, że Polacy nie mogą liczyć na interwencję Zachodu, zaczął szukać pomocy wśród europejskich rewolucjonistów (m.in. u Garibaldiego). Głęboko religijny, prosił papieża Piusa IX o „apostolskie błogosławieństwo”, ale jednocześnie podporządkowywał sprawie narodowej także kwestie kościelne. Sprzeciwił się np. wysyłaniu do Rzymu dużych sum, przeznaczonych na przyspieszenie kanonizacji bł. Józefata Kuncewicza.

Powszechnie uważa się, że ofiarne wysiłki Traugutta nie były w stanie uratować zamierającego powstania. Wiosną 1864 roku już sam dyktator zdawał sobie z tego sprawę. Postanowił jednak – po żołniersku – do końca trwać na posterunku. Nie skorzystał
z możliwości ucieczki. Został aresztowany na skutek donosu w nocy z 10 na 11 kwietnia 1864 roku.

Początkowo więziono Traugutta na Pawiaku. 19 maja przewieziono go do słynnego
X Pawilonu Cytadeli. Tydzień trzymano go w lochu, o chlebie i wodzie. Poddany został ścisłej izolacji. Traugutt okazał się człowiekiem mocnym psychicznie. Jakkolwiek zdecydował się w końcu przyznać do dyktatorskiej działalności, zastrzegł sobie,  iż  nikogo  z  osób nie  powoła, i przedstawił jedynie ogólną i niezbyt dla Rosjan przydatną charakterystykę zasad, jakimi się kierował. Wypowiedział natomiast swoje kredo polityczne: Idea narodowości jest tak potężną i czyni tak wielkie postępy w Europie, że ją nic nie pokona.

Wyrokiem Audytoriatu Polowego z 19 lipca Traugutt został zdegradowany, pozbawiony praw stanu i skazany na śmierć przez powieszenie wraz z czterema współtowarzyszami (Rafałem Krajewskim, Józefem Toczyskim, Romanem Żulińskim i Janem Jeziorańskim). Wyrok wykonano 5 sierpnia o 10 rano, na stoku Cytadeli, w obecności trzydziestotysięcznego tłumu śpiewającego suplikacje. Rozpoczął się czwarty wymiar Trauguttowego żywota – wymiar legendarny.