王懿荣虽做了死的打算，但仍旧每日到团练局率兵勇巡逻城防，并四处购置武器，以应不测。
8月4日，八国联军由天津沿运河两岸进犯。沿途，北仓杨村清兵防线被很快击破。清军守将宋庆、马玉昆率部节节后退。这时，新任帮办武卫事务大臣李秉衡临危受命，奉旨迎敌。次日，八国联军兵力倍增，而朝廷仍无援兵，通州失陷，北京就暴露于八国联军之前。
8月13日，八国联军3万余人，在通州烧杀抢掠之后，直逼北京，先是围攻齐化门、东直门、广渠门等。此时，王懿荣亲临东直门、朝阳门组织指挥清军抵抗敌军。攻打两门的日本、俄国军队用大炮轰开了城墙，到晚上九时，东直门、朝阳门皆破。王懿荣被部属强送回家中。
8月15日凌晨，慈禧太后携光绪皇帝仓惶出逃。夜半，王懿荣徘徊于庭院，门外不断传来枪炮声和百姓惨叫声。当其得知慈禧太后、光绪皇帝已逃出了京城时，仰天长叹：“吾可以死矣！”然后，面向北方，跪在地上，大呼：“皇上，您多保重！是臣无能使您饱受耻辱……”此时，大街小巷，百姓扶老携幼，狂奔乱跑。八国联军攻进入北京城。王懿荣感到自己不能再苟安于世了，对家人说：“吾义不可苟生！”其不愿做亡国奴，决意以身殉国。其用楷书写下绝命词：“主忧臣辱，主辱臣死。于止知其所止，此为近之。” 末署“京师团练大臣国子监酒南书房翰林王懿荣”。然后吞金、服毒，两次未死，其再也不能等待，令家人将井石挪开，准备投井。众仆人“环跽而劝”，王懿荣厉斥之。王懿荣仰天大笑曰：“有义仆抢出小主人，此为义也，吾家可谓忠孝节义俱全，死而无憾！”言罢，随即纵身跳入井中，夫人、长儿媳也相继投井壮烈殉国。王懿荣时年55周岁。
8月25日，礼部侍郎张英麟，筹银70余两，置办了3口薄棺，亲率国子监诸生到王懿荣府邸，由国子监学政王伯恭、监生王杜松等率诸生，将王懿荣暨夫人、长儿媳尸体从井中捞出，史料记载，“三人面容如新”，众人将他们装殓，浅葬于花园空地。一个月后，道台王瑾与侍郎张翼又把王懿荣等三人的灵柩运入城宝应寺义园内暂厝。
10月30日，内阁抄奉上谕：“二品衔国子监祭酒王懿荣敦品绩学，持躬清正，侍从南斋，迭承恩眷。平日夙怀忠义，恩济时艰。本年七月间，临难捐躯，从容就义。洵然大节凛然，加恩著追赠侍郎衔、照侍郎例赐恤。其妻谢氏及其长子妻张氏亦同殉难，忠烈孝义萃于一门。允宜特别予以褒扬，以彰贞节。王谢氏、王张氏均著其旌表。长孙王福坤著服阙后，以主事分部行走。寻予谥‘文敏’，钦此。”
爱国精神，可歌可泣。
1901年（清光绪二十七年）2月，王懿荣次子王崇烈，由宝应寺义园将父母及大嫂灵枢启运回故里，由天津经海路抵烟台码头，然后运至福山古现北顶岭安葬。
1903年（清光绪二十九年），王崇烈奉旨在北京锡拉胡同11号王懿荣故居，建家祠奉祀。
正在京城述职的湖广总督张之洞题写：“福山王文敏家祠”。
顺天府知府陈璧题写了楹联：
“率诸生以时习礼，君隆祀典，卧重儒行，庠心讲学术。且幸文章宗工，政事名族，金石通家，春酒一尊瞻遗像。
忆圣驾蒙难出巡，我悍牧圉，公守社稷，泪笔写奏稿。可怜父子尽节，夫妻捐躯，儿媳从井，秋风七月葬忠魂。”
陈璧在井旁筑一精致砖亭，竖一碑，上镌“福山王文敏公殉节处”九个大字。
光绪皇帝题写祭文碑一块，后又有宣统皇帝题写祭文碑一块。
此后，国史《清史稿》《国史馆》为王懿荣立传。
1983年第四期《红旗》杂志评论员文章《从爱国主义到共产主义》一文指出：“王懿荣为向外国侵略者表示抗议，不惜坠井自尽，显示了宁为玉碎不为瓦全的决心。”
1989年，王懿荣发现甲骨文90周年之际，为纪念其爱国精神，山东省文物局、福山区政府在福山城里街道中心古建筑群里建立“王懿荣纪念馆”。
1995年，王懿荣纪念馆被山东省文化厅、文物局命名为“山东省优秀社会教育基地”。
1997年，王懿荣纪念馆被烟台市委、市政府命名为“烟台市爱国主义教育基地”。
1999年，王懿荣发现甲骨文100周年之际，烟台市委、市政府举行大型国际研讨会暨王懿荣纪念馆新馆迁址仪式，新馆迁至福山高新技术产业区“大成栈”旧址。
2012年，全国唯一的王懿荣甲骨学研究会在福山成立。
