起義失敗后，沈藎輾轉來到上海，隨即他又悄悄地潛入北京、天津等地。在天津，沈藎受聘為“報館訪事”（即今天的記者），同時兼任一家日本報紙的通訊員，開始以記者的公開身份為掩護，繼續從事反清活動。當時的北京正處于八國聯軍控制時期，由于沈藎擅長交際，又有政治眼光和新聞敏感性，很快便與八國聯軍的部分將士混得相當熟悉。北京各界名流聽說沈藎認識許多外國朋友，紛紛前去巴結。為了從這些貴族口里打聽到有用的信息，沈藎盡量和他們把酒言歡，虛與應付。
1903年，沈藎從貴族口中得知中俄兩國要簽訂密約的消息后，決心在簽約之前把密約內容昭示天下。經過多方努力，沈藎最終通過政務處大臣王文韶之子搞到了《中俄密約》草稿的原文。沈藎迅速將《中俄密約》草稿寄給了天津英文版的《新聞西報》。《新聞西報》收到后當即原文刊登。隨后，國內外各大新聞媒體紛紛轉載，日本新聞界還專門為此出了一期號外。
《中俄密約》的內容公之于眾后，國內外輿論一片嘩然。全國人民群情激憤，進一步促進了全國范圍內革命運動的深入開展，清政府則陷入了非常難堪的境地。在國內外強大輿論的壓力下，清政府不得不放棄簽訂《中俄密約》的計劃。
《中俄密約》泄密后，清政府立即派人全力偵察密約泄露的原因。此時的沈藎非但沒有躲避清政府的追查，反而提出了一個更加大膽的計劃：聯絡李蓮英，干掉慈禧太后。他把自己的想法告訴給兩個最要好的朋友——旗人慶寬和前翰林吳士釗。哪知慶寬和吳士釗得知沈藎的想法后，深感不安，決定聯合向慈禧太后告發沈藎。1903年7月19日晚上，毫無防備的沈藎在北京寓所里被捕。
沈藎被捕后，知道清政府絕對不會放過自己。遂做《絕命詩》四章，其中一首是這樣寫的：“獄中鐵鎖出郎當，宣武門前感北堂。菜市故人流血地，五忠六士共翱翔。今年三十有一歲，贏得浮名不值錢。從此興亡都不管，靈魂歸去樂諸天。”
1903年7月31日（陰歷六月初八），刑部大堂8個獄卒手拿特制的大木棍，準備行刑。沈藎面對獄卒，大聲說道：“快些了事！”于是，8名獄卒輪流捶打沈藎的四肢和背部，時間長達4個小時之久。沈藎被打得血肉橫飛，“骨已如粉”，其狀慘不忍睹，但沈藎自始至終“未出一聲”。這時，堂司以為沈藎已死，下令停止捶打。不想這時沈藎用微弱的聲音說道：“速……用繩絞我……”見沈藎還沒有死，堂司又下令“以繩勒其頸，而始氣絕”
沈藎是我國歷史上第一位殉職的新聞記者，年僅31歲。
