فردای آن روز روز و در تاریخ ٩ آبان ١٣٩١ وی به اتهام اقدام علیه امنیت ملی از طریق فعالیت در شبکه اجتماعی فیسبوک و وبلاگ شخصی‌اش، توسط پلیس فتا دستگیر و به مکان نامعلومی منتقل شد.

 در تاریخ ١٠ آبان، ستار بهشتی به بند ٣۵٠ زندان اوین منتقل شد در حالی که بنا بر منابع موجود به شدت شکنجه شده و مچ دستانش کبود بود. در تاریخ ١١ آبان ماه، ستار بهشتی شکایتی را با خط خود علیه بازجویانش نوشت و سپس مجددا از بند ٣۵٠ به مکان نامعلومی منتقل شد.

بعد‌ا مشخص شد در اختیار پلیس فتا و بازداشتگاه آگاهی بوده است بر اساس گزارش ثبت شده در روابط عمومی بهشت زهرای تهران تاریخ فوت ستار، ١٣ آبان ١٣٩١ و تنها ۴ روز پس از بازداشت وی اعلام شده است.

بر اساس گفتگوی منتشر شده از سوی عموی ستار بهشتی در وب سایت سحام نیوز مسئولان در خصوص علت فوت این وبلاگ نویس جوان به آن‌ها توضیحی نداده و گفته‌اند: خفه شوید و به شما ربطی ندارد.

پس از انتشار خبر فوت این وبلاگ نویس از سوی قوه قضاییه، وب سایت کلمه آن را پوشش داد و اعلام کرد که به خانواده وی گفته شده برای تحویل گرفتن جنازهٔ او به پزشکی قانونی کهریزک مراجعه کنند. 

بر اساس گفته‌های ۴١ نفر از زندانیان سیاسی که بعد از انتشار خبر مرگ ستار بهشتی در سایت کلمه منتشر شده است، ستار در بازداشتگاه پلیس ایران مورد ضرب و شتم قرار گرفته و از سقف آویزان شده، دست‌هایش را به صورت قپانی بسته و با لگد به سر و گردنش ضربه وارد کرده‌اند. «گوهر عشقی»، مادر ستار بهشتی نیز از خونی بودن کفن وی در هنگام دفن سخن گفته است و این می‌تواند صحبت‌های یکی از آشنایان وی را که جنازهٔ او را پیش از دفن دیده تایید کند. به گفتهٔ این شاهد عینی: «روی سرش فرو رفتگی بزرگی بود و آن ناحیه را گچ گرفته بودند.

صورتش باد کرده بود و به محض باز کردن بند کفن از کنار زانوی راستش، خون کاملا کفن را رنگین کرد. از کالبد شکافی هم علائمی روی بدنش دیده می‌شد». در تاریخ ١٩ آبان «رضا حیدر‌پور»، پزشکی که بدن ستار بهشتی را معاینه کرده بود بازداشت و به بند٢٠٩ زندان اوین فرستاده شد.

دستگاه قضایی نسبت به مرگ این وبلاگ نویس سکوت کرد و این امر موجب شد احمد توکلی، نمایندهٔ مردم تهران به عملکرد دستگاه قضایی اعتراض کند. پس از این اعتراض کمیسیون امنیت ملی و سیاست خارجی مجلس موضوع مرگ این جوان وبلاگ نویس را بررسی و کمیته‌ای برای پیگیری آن تشکیل داد.

در جلسات تشکیل شده توسط این کمیته در ابتدا اعلام شد آثار ضرب و شتم در بدن ستار بهشتی دیده نشده است اما پس از گذشت چند ساعت خلاف این ادعا توسط پزشکی قانونی اعلام شد. در این گزارش آمده بود که در ۵ نقطه از جسد ستار بهشتی از جمله ساق پا‌ها و دست‌ها، پشت کتف و یکی از ران‌های او کبودی به وضوح قابل رویت بوده است.  

در ‌‌نهایت و پس از پیگیری‌های کمیته پیگیری و کمیسیون امنیت ملی مجلس، گزارشی در ٢٨٠ کلمه و ۴ بند تنظیم شد که طبق آن تاریخ مرگ ستار بهشتی ٧ روز با تاریخ اعلام شده از طرف قوه قضاییه تفاوت داشت. زمان دستگیری نیز ٩ روز با زمان پیش‌تر اعلام شده اختلاف داشت

 تنها چند ساعت بعد، کمیسیون امنیت ملی این تناقضات را اشتباه تایپی اعلام کرده و آن‌ها را تصحیح نمود. در تاریخ ١٠ آذر ٩٢ مادر ستار بهشتی با قاتلان پسرش مواجه شد اما بدلیل آنکه ماموران امنیتی حکم بازداشت دخترش (سحر سادات بهشتی) را داشتند، ناچار به رضایت شد.

به واسطهٔ رسانه‌ای شدن قتل این وبلاگ نویس جوان، رییس پلیس فتای تهران بدلیل قصور و ضعف در نظارت کافی بر عملکرد پرسنل تحت امر و روند رسیدگی پرونده متوفی از کار خود برکنار شد.

پنجاه روز پس از مرگ ستار بهشتی در گزارش محرمانه پزشکی قانونی فاش شد که او بر اثر ضربه و شوک فیزیکی و متلاشی شدن بیضه‌اش کشته شده است. همچنین آثار سوختگی نیز در ناحیه بیضه‌های او تایید شد.

مادر ستار بهشتی به بانکی مون، دبیر کل سازمان ملل نامه نوشت و از او خواست در آستانه سفر حسن روحانی و حضور او در مجمع عمومی سازمان ملل با وی در خصوص رسیدگی صحیح به پرونده قتل پسرش مذاکره کند. همچنین در اولین سفری که «کا‌ترین اشتون» به تهران داشت هفت تن از فعالان زن مدنی و حقوق بشر با وی دیدار کردند که یکی از آن‌ها گوهر عشقی، مادر ستار بهشتی بود.

این پرونده پس از فراز و فرودهای فراوان در ١۶ مرداد ١٣٩٣ با صدور کیفرخواست با اتهام قتل شبه عمد برای یکی از ماموران پلیس فتا بسته شد. قاتل به سه سال حبس تعزیری و دو سال تبعید در منطقهٔ معین و ٧۴ ضربه شلاق محکوم شد که البته این حکم از سوی اولیای دم ستار بهشتی مورد اعتراض قرار گرفت. اما در ‌‌نهایت دادستانی شبه عمد بودن قتل ستار بهشتی را تایید نمود. ستار بهشتی در گورستان رباط کریم دفن شده است.