Był początek maja 1945 roku. Amerykanie zajęli już Berchtesgaden i zatrzymali większość najważniejszych dygnitarzy III Rzeszy. W nocy z 5 na 6 maja telefon obudził kapitana Philipa Broadheada, szefa amerykańskiego urzędu wojskowego w tym mieście. Oficer dyżurny poinformował go, że jeden z zatrzymanych nazistów próbował popełnić samobójstwo.
Broadhead zareagował niechętnie, ale gdy usłyszał nazwisko Hans Frank, natychmiast zerwał się z łóżka i udał się do ambulatorium. Hans Frank, osławiony kat Polski i generalny gubernator okupowanych ziem polskich, leżał nieprzytomny po próbie podcięcia sobie żyletką przegubu lewej ręki. Lekarz oznajmił, że zbrodniarza uda się uratować. Amerykanie od tej pory pilnowali go, by sytuacja się nie powtórzyła.
Kilka miesięcy później Frank stanął przed Międzynarodowym Trybunałem Wojskowym w Norymberdze, ale jego zachowanie w trakcie procesu znacząco odbiegało od postawy innych oskarżonych i do dziś budzi spory. Frank przez sześć lat okupacji brutalnie zarządzał ziemiami polskimi. 17 stycznia 1945 roku, gdy Armia Czerwona zbliżała się do Krakowa, ewakuował się do Bawarii, zabierając dokumenty i zrabowane dzieła sztuki. W ostatnich miesiącach wojny zdążył wydać rozkaz zniszczenia obciążających dokumentów.
Wolność spędził w alpejskiej miejscowości Neuhaus, gdzie bywał w lokalnej kawiarni. 4 maja 1945 roku Amerykanie aresztowali go, gdy siedział przy stoliku z sekretarką, z którą łączył go romans. Po aresztowaniu Frank zaskakująco chętnie przekazał Amerykanom własne dzienniki, które spisywał podczas wojny. Jego syn Niklas uważał jednak, że ojciec w ostatnich tygodniach przed zatrzymaniem usuwał z nich najbardziej obciążające fragmenty.
Niezależnie od tego zapiski stały się fundamentalnym dowodem w procesie. Tuż po osadzeniu w więzieniu Frank został pobity przez amerykańskich strażników, wstrząśniętych widokiem wyzwalanych obozów koncentracyjnych. Niedowład ręki po próbie samobójczej pozostał mu do końca życia. W listopadzie 1945 roku Frank zasiadł na ławie oskarżonych w Norymberdze.
Postawiono mu zarzuty spisku przeciwko pokojowi, zbrodni przeciwko pokojowi, zbrodni wojennych i zbrodni przeciwko ludzkości. Początkowo, jak wszyscy oskarżeni, nie przyznał się do winy. Później jednak zaskoczył obserwatorów, publicznie deklarując poczucie winy. Mówił, że tysiąc lat przeminie, a wina Niemiec nie zostanie zmazana.
Jego deklaracje skruchy wprawiały w osłupienie innych oskarżonych. Frank zdawał się odczuwać żal i twierdził, że uważa proces za sąd światowy z woli Boga. Przebywając w celi, czytał Biblię i deklarował nawrócenie na katolicyzm, choć jeszcze rok wcześniej otwarcie drwił z chrześcijaństwa. Sędziowie nie wiedzieli, czy mają do czynienia ze szczerą skruchą, czy taktyką obronną.
Jego obrońcą został młody adwokat Alfred Seidl, który początkowo wzbraniał się przed podjęciem sprawy. Frank miał mu powiedzieć: „Wiem, że zostanę skazany na śmierć. Nie chcę obrońcy, dla którego będę piątym kołem u wozu”. Dowody przeciwko Frankowi były przytłaczające.
Cytowano jego rozkazy i fragmenty dzienników zawierające opisy mordów na Polakach i Żydach oraz zapowiedzi przyszłego zniewolenia i eksterminacji. Frank odpowiadał za wyzysk i terror na ziemiach polskich, a nikt z obecnych na sali nie miał wątpliwości, jaka kara powinna go spotkać. Sam oskarżony nazywał Hitlera szatanem i bezdusznikiem, twierdząc, że zawarł pakt z diabłem. Frank utrzymywał, że nie wydał rozkazu masowych mordów i że nie posłał osobiście żadnego Żyda do obozu koncentracyjnego.
Całą winę zrzucał na Hitlera, sobie zarzucając jedynie, że zbyt łatwo dał się mu podporządkować. Gdy w trakcie procesu wyświetlano film z obozów koncentracyjnych, Frank zdawał się być wstrząśnięty, płakał i apelował, by nie wierzyć tym, którzy twierdzą, że nie wiedzieli o zbrodniach. Mówił, że wszyscy czuli, iż dzieje się coś straszliwego, nawet jeśli nie znali szczegółów. Amerykański psychiatra Leon Goldensohn przeprowadzał z Frankiem liczne rozmowy.
Opisywał jego dziwne zachowania, huśtawki nastrojów, niecodzienne poczucie humoru i momenty histerycznego śmiechu. Frank przekonywał, że w więziennej celi żyje jak święty lub pustelnik, i wygłaszał długie religijne dywagacje, łącząc katolicyzm z wiarą w przeznaczenie i kosmiczne prawa wszechświata. Kpił przy tym z innych oskarżonych, którzy nie przyznawali się do winy, mówiąc, że jest jedynym winnym na ławie oskarżonych. Podczas rozmów z psychologiem Gustawem Gilbertem Frank wypowiadał się z uznaniem o Żydach, lecz jego stosunek do Polaków pozostał pełen pogardy.
W jednej z rozmów nazwał Polaków „śmierdzącymi leniami” i twierdził, że nie chcą wracać do kraju, bo łatwiej żyć im z Amerykanów. Gdy wypowiadał te słowa, śmiał się do rozpuku, a Gilbert tak się zażenował, że opuścił jego celę. Frank używał też pseudorasowych tez, mówiąc o Polakach jako o mieszańcach krwi tatarskiej, słowiańskiej, ruskiej i niemieckiej. Prawdziwość nawrócenia Franka podawano w wątpliwość.
Zwracano uwagę, że jego skrucha mogła być próbą zdobycia przychylności Kościoła katolickiego, który mógłby zaapelować o złagodzenie kary. Żona Franka, Brigitte, faktycznie wysłała prośbę o wstawiennictwo do papieża Piusa XII i kardynała von Faulhabera, ale Watykan ją odrzucił. Frank potrafił też irytować sędziów, twierdząc, że proces jest podyktowany politycznie, a jego zachowanie bywało teatralne. Gdy Julius Streicher zaprzeczał wiedzy o eksterminacji Żydów, Frank krzyczał w jego stronę, oskarżając go o kłamstwo pod przysięgą.
Przed ogłoszeniem wyroku Frank spisał dwa teksty: „Szkice z życia” oraz obszerniejszą „W obliczu szubienicy”, analizę Hitlera i jego czasów. Zdaniem badaczy tekst ten stoi w całkowitej sprzeczności z jego wojennymi dziennikami, zawiera liczne kłamstwa i stanowi kolejną próbę zrzucenia winy na dyktatora. Historycy uznają go za źródło o niskiej wartości. 31 sierpnia 1946 roku Frank wygłosił ostatnie słowo.
Mówił o odwróceniu się od Boga jako źródle zbrodni nazizmu i o odpowiedzialności moralnej przywódców Rzeszy. W jego przemowie znalazł się jednak fragment zaprzeczający wcześniejszym deklaracjom skruchy. Frank stwierdził, że potworne masowe zbrodnie popełniane są na Niemcach przez Rosjan, Polaków i Czechów, i że już dziś zacierają one winę niemieckiego narodu. Francuski sędzia Henri de Vabres jako jedyny zaproponował karę dożywotniego więzienia zamiast kary śmierci, ale był w zdecydowanej mniejszości.
Frank został uznany winnym trzech z czterech zarzutów i skazany na karę śmierci przez powieszenie. Po usłyszeniu wyroku odrzucił głowę do tyłu. Gilbertowi powiedział później, że zasłużył na ten wyrok i że jest rad, iż miał szansę się bronić. Ostatnie dni Frank spędził na modlitwie w towarzystwie księdza Sixtusa O’Connora.
Według relacji duchownego skazaniec zachowywał się spokojnie i pogodził się ze śmiercią. Egzekucja odbyła się w nocy z 15 na 16 października 1946 roku. Świadkowie relacjonowali, że Frank jako jedyny wstąpił na szubienicę z uśmiechem, choć sprawiał wrażenie nerwowego. Jego ostatnie słowa brzmiały: „Dziękuję za dobre traktowanie, którego doświadczyłem podczas pobytu w więzieniu, i proszę Boga, żeby zechciał łaskawie przyjąć mnie do siebie.
Jezu, mój Boże, miłosierdzia”.