بعداز ظهر اول شعبان ۱۳۲۸ (شانزدهم امرداد ۱۲۸۹ هجری خورشیدی) قوای دولت مشروطه، که جمعاً سه هزار نفر می‌شدند به فرماندهی یپرم‌خان، یار قدیمی ستارخان در تبریز و رئیس نظمیهٔ وقت، باغ اتابک را محاصره کردند و پس از چند بار پیغام، هجوم نظامیان به باغ صورت گرفت و جنگ بین قوای دولتی و مجاهدین آغاز گشت. در این جنگ قوای دولتی از چند عراده توپ و پانصد مسلسل شصت تیر استفاده کردند و به فاصلهٔ ۴ ساعت ۳۰۰ نفر از افراد حاضر در باغ کشته شدند.

ستارخان راه پشت بام را در پیش گرفت، اما در مسیر پله‌ها در یکی از راهروهای عمارت تیری به پایش اصابت کرد و مجروح شد و قادر به حرکت نبود. اندکی بعد قوای دولتی او را دستگیر کردند و به منزل صمصام السلطنه بردند و خود و اتباعش ناچار به خلع سلاح شدند.

بعد از این وقایع، ستارخان خانه‌نشین تهران شد؛ پزشکان حاذق برای مداوای پای او تمام تلاش خود را کردند، بر اثر اصابت گلوله هر دو استخوان ساق پا شکسته‌بود و زخم دچار عفونت بود، دو بار پزشکان معالج (لقمان الدوله، حسین خان نظام الحکما، و دو پزشک خارجی) اقدام به عمل جراحی و تمیز کردن زخم نمودند و پس از مدتی شکستگی و زخم بهبودی نسبی پیدا کرد و با وجود کوتاهی پا می‌توانست با عصا راه برود. ستارخان که از دولت مشروطه کنار گذاشته مطرود و منزوی بود، پس از این واقعه نزدیک به چهار سال زندگی کرد؛ حتی مکاتباتی برای دفع اجنبی و اعلام آمادگی برای رفع اشغال و فجایع روس‌ها در آذربایجان، با دولت مرکز حتی عین الدوله (محاصره‌کننده تبریز) داشت که وقعی گذارده نشد. عاقبت ستارخان در تاریخ ۲۵ آبان ۱۲۹۳ (۲۸ ذی الحجه ۱۳۳۲) در تهران درگذشت.

آرامگاه ستارخان در باغ طوطی در کنار حرم شاه عبدالعظیم شهر ری واقع است.

نوادگان وی چندین مرتبه سعی نمودند با کسب مجوزهای شرعی، پیکر وی را به تبریز منتقل کنند که موفق به این کار نشدند.

خانه وی همینک به عنوان موزه در محلهٔ امیرخیز خیابان شمس تبریزی نرسیده به میدان پنجم مرداد (منجم) کوچهٔ ستارخان می‌باشد که بازدید برای عموم آزاد است.

یادبود ستارخان

فیلم سینمایی ستارخان دربارهٔ جنبش مشروطه و به کارگردانی علی حاتمی و نقش آفرینی علی نصیریان در نقش ستارخان در سال ۱۳۵۱ ساخته شد.

به پاس کوشش‌های ستارخان در جنبش مشروطه، پس از انقلاب ۱۳۵۷ خیابانی در غرب تهران به نام او نامگذاری شد. همچنین تندیس‌ها و بناهای یادبود دیگری نیز در تهران و دیگر شهرهای ایران به یاد او برپا شده‌است.

در سال ۱۳۹۱ نیز یک فیلم مستند با نام عیار مشروطه که یک واگویی از زایش تا درگذشت ستارخان است از سوی مرکز گسترش سینمای مستند و تجربی ساخته‌شد.

در سال ۱۳۹۷ سریالی به نام ایران‌دخت به کارگردانی محمدرضا وزری در ۳۰ قسمت تولید شد و در بهمن ۱۳۹۶ ۱۰ قسمت آن از شبکهٔ یک سیما پخش شد. در این سریال سعید نیکپور در نقش ستارخان، نقش آفرینی کرده‌است و شکر خدا گودزی در نقش باقر خان ایفای نقش کرده‌است.

در سال ۱۳۹۶ یک مجموعه تلویزیونی با نام ستارخان به نویسندگی و کارگردانی محمدرضا ورزی در ۱۰ قسمت ۵۰ دقیقه‌ای ساخته و از شبکه یک پخش شد. این مجموعه سال‌های پایانی زندگی ستارخان را واگویه می‌کند.