Захваченный в плен капитан госбезопасности Молодцов с первого дня ареста был закован в кандалы и подвергался жестоким допросам, во время которых он вел себя исключительно стойко и мужественно. В секретной переписке сигуранцы по разработке резидентуры Молодцова, известного ей под псевдонимом "Бадаев", отмечалась высокая степень профессионализма советского разведчика и умелое построение его агентурной сети. В одном из трофейных документов сигуранцы ее офицер высоко оценил специфику агентурной деятельности Молодцова: "Особенно характерно то, что агентура Бадаева завербована из элементов, на которых наши власти базировались в деле восстановления нормальной экономической и культурной жизни города… Благодаря агентурной сети, Бадаев мог передавать в Москву точную информацию, касающуюся дислокации войск в Одессе, расположения береговых и зенитных батарей, пунктов города, где были построены заграждения для обороны, экономического положения и настроений населения, а также списки фамилий руководителей гражданских и военных властей". Похвала из уст противника почетна и опасна вдвойне. Несмотря на военные методы ведения допросов, резидент свою сеть не сдал. Его агенты, избежавшие ареста ранее, встретили Красную Армию на боевом посту.

25 мая 1942 года румынские оккупационные власти устроили показной судебный процесс над сотрудниками НКВД Молодцовым, Межигурской и Шестаковой. Молодцов поставил трибунал в тупик, потребовав присутствия на скамье подсудимых Антона Федоровича, на квартире которого были арестованы все трое и который являлся очевидным пособником партизан. Требование было обоснованным и заседание отложили на три дня. 28 мая судья зачитал справку сигуранцы, согласно которой Федорович присутствовать на процессе не может, поскольку бежал из-под стражи и скрывается в катакомбах. Формальности были выполнены и начался суд. 29 мая во дворе городской тюрьмы Молодцову, Межигурской и Шестаковой в присутствии других заключенных был зачитан приговор, по которому все трое осуждались к расстрелу. На предложение подать прошение на имя румынского короля о помиловании резидент НКВД категорически отказался, заявив: "Мы на своей земле и у врага помилования не просим".

Ночью в начале июня 1942 года капитана госбезопасности Владимира Молодцова и сержанта госбезопасности Тамару Межигурскую с закованными в кандалы руками отконвоировали из центральной тюрьмы в сторону еврейского кладбища румынский офицер и два солдата с собакой. Они были расстреляны и закопаны в безымянной могиле. За проявленное мужество Владимир Александрович Молодцов был награжден званием Героя Советского Союза посмертно.