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En prison, la conversion de Jacques est préparée par trois personnes qui parlent de longues heures avec lui : son avocat (un ancien homosexuel lui-même converti), l’aumônier de prison et un moine bénédictin, avec qui il échange de nombreuses lettres. La lecture des apparitions de Fatima est pour lui une révélation. Au bout d’un an de détention, le jeune homme terrassé par la souffrance tombe à genoux. Dans la nuit du 1er mars 1955, il appelle et crie à l’aide. Une voix intérieure le presse de se convertir. Brutalement, à partir de ce jour, il va pratiquer l’ascèse et vivre comme un moine en cellule : « J’ai vraiment la certitude de commencer à vivre pour la première fois. J’ai la paix et un sens à ma vie, alors que je n’étais qu’un mort vivant [...] On consent au mal pendant des années et rien n’arrive ! Sans s’en rendre compte, notre liberté diminue et la volonté s’atrophie. » Rempli de culpabilité face à la famille du policier qui, étant veuf, laisse derrière lui une orpheline de quatre ans, il manifeste sa volonté de repentir et de rachat : « Que de mal ai-je pu faire autour de moi par mon égoïsme et mon inconscience ! Puisse mon sang qui va couler être accepté par Dieu comme un sacrifice entier ». Ainsi, l’homme forge dans des centaines de notes, le récit de sa conversion au Christ, de ses moments de plénitude et de nuits mystiques avec de terribles angoisses. Mais la grâce l’inonde : « Dans une cellule, le Christ parle peut-être plus distinctement qu’ailleurs ».

Le procès devant la cour d'assises de Paris commence pour une durée de trois jours. Jacques innocente ses deux complices, qui sont relaxés. L'enjeu du procès n'est pas d'établir les faits ou la culpabilité, puisque Jacques Fesch a tout reconnu, mais plutôt de cerner sa personnalité. S'agissant d'un « blouson doré », selon l'expression de l'époque pour désigner la jeunesse privilégiée décadente, le procès attire l'attention des médias et de l'opinion publique. L'avocat général conclut avoir cherché dans le dossier des éléments en faveur de l'accusé sans y trouver rien d'autre que le cancre, le jouisseur, le voleur, l'assassin. Après une heure et quart de délibérations, le 6 avril 1957, jour de son vingt-septième anniversaire, le jury de la cour d'assises le condamne à la peine de mort sans circonstances atténuantes. La demande de grâce auprès du Président René Coty est rejetée.

« Jésus m’a pris sur ses épaules. Au lieu de mourir stupidement,
je vais pouvoir offrir ma mort pour tous ceux que j’aime. »
                                                    Jacques Fesch

Jacques s’identifie au bon larron. Une voix intérieure lui promet qu’il sera sauvé et qu’il reçoit les grâces de sa mort. Malgré des périodes encore difficiles d’obscurité, il exulte de joie : « Dieu s’est emparé de ma petite âme… un voile s’est déchiré ! Si je continuais à vivre, jamais je ne pourrais rester sur les hauteurs où je suis parvenu. Mieux vaut que je meure. » À la veille de son exécution, il complète son mariage civil par un mariage religieux. Il passe ses derniers instants à écrire à ses proches. Il est guillotiné le 1er octobre 1957 à l'aube, muni de l’absolution et de la confession, après avoir passé la nuit en prière. Sa cause de béatification est introduite.