自从孙维世被捕，周恩来心里十分惦念，不知道江青等人将她关在了什么地方。他不好过问，更不敢声张，只得悄悄地让人打听。打听了很长时间，一直都得不到孙维世的具体关押地点，也得不到有关孙维世的一点消息。
按当时的情况，像孙维世这样的“要犯”，很多老干部和学术界、文艺界的“反动学术权威”都是被关在秦城监狱。江青等人知道，如果这样，周恩来很快就会得到消息。为了防备周恩来了解情况，从中设法营救，江青等人在动用空军现役军人抓捕之后，就将孙维世秘密送到了北京市公安局军管会，关押在德胜门外的监狱。
对中国情况了如指掌的周恩来，多方查询都没有找到关押孙维世的监狱。
原来，孙维世的名字在入狱的名册上改成了“孙伪士”，同音不同字，并将孙维世定为“关死对象”，那意思是：这种犯人由于特殊原因不审不判，慢慢关死。对这种犯人可以采取任何手段折磨。在这种情况下，调查的人到哪里找去？
周恩来已无可奈何。
孙维世在江青等人设立的黑牢里所受到的摧残，可以用“百般凌辱”四个字来描述，其中的惨无人道之处，真是无法形容。
孙维世属于“未决犯”，监狱方面觉得“未决犯”反正不干活，每天给几个窝窝头，从门缝里扔进去，爱吃不吃无人管，不吃你就等死。
专案组在追问孙维世“罪行”的时候，同审讯王昆（第一个在《白毛女》歌剧中演喜儿的演员）一样，不断地追问：“你和周恩来说过什么话？”“周恩来让你做过些什么事？”
孙维世每天都生活在魔鬼们惨无人道的折磨中，她只能以呼口号、唱歌等方式向狱友们传递信息，说明自己已被关押，否则默默无声也一样会被折磨而死。在这个魔窟里，这是一种多么无奈而微弱的自救啊！
当年参加审讯孙维世的一个专案组成员曾说：“孙维世那个案子不能提，一提就做噩梦，好几年都缓不过来那个劲。孙维世在里面不到半年就给弄死了，那是早就有人关照过了，根本活不过整年去（指1968年）。一开始审她，我还去了，可去一次我就不去了，不是不让我去，而是我不敢去了。那不叫审，那就叫整，说得具体点那就是侮辱人，用书面上的话说就是蹂躏。我有次还问我们的头头说怎么这么整这女的，头头给我一份材料看，我一看，这案子来头太大了，上面都点名了。那几个专案的人整累了，回来喝水聊天时还说，那女的（指孙维世）性子真他妈的烈，还以为这是中南海呢……孙维世死的那天我不值班，回来取东西时，听他们说她死了，要我们立刻赶去。我就去了，正赶上往外抬人，死得太惨了，身上就盖着一条白布单，脸上还有血……后来80年代让我们这些人交代时，我就把头头给我看的那个材料也给交代了。材料上有一句话我记得最清楚，这是江青说的。那时候江青是什么人啊，她说的话跟圣旨也差不多，我怎么能记不得呢？材料上说孙维世……是狐狸精，是美女蛇，还说她是……定时炸弹。后来上级组织把我交代的这段话给删了，也没有给我解释为什么。”
1968年9月份，又放了一批“联动分子”和其他高干子弟。他们出去后，有人向周恩来汇报了北京看守所的黑暗和残酷虐待犯人的第一手材料。
周恩来第一次得到这个情报，立刻开始调查，但费了很大力气也没有能将孙维世救出。
1968年10月14日是孙维世与金山的结婚十八周年纪念日。
吃过早饭之后，守狱人打开牢门，准备提审孙维世，可是一看，孙维世已躺在了地上，只穿着单薄的内衣内裤，身上布满伤痕。
守狱人走过去，用脚踢了踢，没有动静，这才发现人已死了。沉沉的脚镣手铐仍然紧紧地锁着她的四肢。
孙维世的死状很惨，据《话剧皇帝——金山传》一书中记载，孙维世死时遍体鳞伤。后来关于孙维世冤狱的多种传说中都用了她死时“一丝不挂”这个词，也有人说她头上还发现插入了一根很长的大铁钉。据一些专案组成员说，孙维世死时衣服穿得很少。不管是“一丝不挂”抑或是“穿得很少”，都直接反映了孙维世冤狱的黑暗和残忍所在。
这一年孙维世四十七岁。
关于孙维世之死，林利是这样回忆的：“刽子手对她早已嫉恨多年，早就虎视眈眈地对她伺机下手了。维世入狱必然导致她的冤死。”“当听到她（孙维世）和我同一天同一时辰被捕，并于当年就被虐杀时，我大惊，同时感到莫名的悲愤。‘文革’中，被陷害、被杀戮的无辜者许多，但是，像维世这样被肆无忌惮地、惨绝人寰地虐杀，却是？罕见。”
孙维世死后的第三天，也就是1968年10月17日，江青为了遮人耳目，让造反派把一叠伪造的病历送到周恩来的办公桌上，说孙维世是由于“脑蜘蛛网膜下腔出血”病死。
周恩来得到消息大惊，再也不能沉默，拍案而起：“太不像话了，怎么能这样对待一个烈士子女呢！”
这位在“文化大革命”中为了维护大局，对于许多事情一贯隐忍的国务院总理再也不能忍受，他终于愤怒了，强忍着心中的悲痛，挥笔亲自批示：“（孙维世）自杀或灭口，值得调查。”“应进行解剖化验，以证实死因。”
他不敢将这个消息告诉邓颖超，怕她知道后会更加难过。
对于孙维世之死表示愤怒的还有一个人，那就是林彪。
1969年年底，也就是孙维世死后一年多，林彪才知道这个消息。
林彪一听便知此事何人所为，勃然大怒，一巴掌拍在桌子上，指着叶群的鼻子大骂她和江青，竟然干出如此伤天害理的事情。
江青与叶群——这两个“文革”中的政治“超女”，为着个人的权力与野心，竟然害死了一个她们忌恨多年的清纯女子，疯狂地制造了如此惨无人道的人间命案。
孙维世遇害后，周恩来终日茶饭不思，休息的时候总是拿着孙维世的照片出神，希望能尽快查出孙维世的死因，追查出凶手——这个愿望在那个时候无异于与虎谋皮，周恩来在世时一直都未能查出，也不可能查出孙维世之死的真正黑幕。
孙维世是被冠以“李立三李莎集团成员”的罪名被捕的。林利认为“她的被虐杀，完全是江青、叶群之流的蓄意谋害”。
邓颖超曾跟孙维世的妹妹孙新世谈过这件事：“当时想，放在里面也许比在外面更安全。而且他们（指江青她们）说是特务，抓了起来，他们得给个交代。”谁都没想到，江青一伙人竟如此心狠手毒，根本不按规则出牌。
在电影《周恩来》里有这样一个镜头：
周恩来拿着孙维世的遗照在沉思着……秘书进来说：“总理，孙维世同志的尸体已经火化了，他们说按反革命处理的，连骨灰也没？留下。”
这个情节是完全真实的。当时专案组在江青的授意下，对于周恩来批示追查原因是这样回答的：已将孙维世作为“现行反革命”进行了火化，没有保留骨灰。
焚尸灭迹，惨绝人寰，朗朗乾坤，千古奇冤！
孙维世，新中国艺术舞台上美丽的“白杨”，从此香消玉殒。
呜呼，日月星辰！
呜呼，苍天大地！