К октябрю 1990 года число жертв Чикатило превысило 50 человек. 6 ноября 1990 года, совершив убийство двадцатидвухлетней Светланы Коростик и выйдя из лесополосы близ железнодорожной станции Лесхоз, Чикатило был остановлен сотрудником милиции для проверки документов. Внешний вид Чикатило, который был одет в костюм и галстук, вызвал подозрение, но ввиду отсутствия причин для задержания милиционер его отпустил, зафиксировав его фамилию в рапорте. Через семь дней в этом районе было найдено тело убитой Светланы Коростик. Следователи проверили недельные рапорты дежуривших здесь сотрудников милиции и таким образом вышли на Чикатило. За ним установили слежку. Чикатило вел себя странно, пытался завязать знакомство с детьми и подростками, крутился вокруг мест совершения преступлений.
20 ноября 1990 года Чикатило отпросился с работы и отправился в поликлинику с жалобой на сломанный палец – его прокусила предпоследняя жертва маньяка шестнадцатилетний Виктор Тищенко. Вернувшись домой и взяв трехлитровую банку в авоське, он отправился в магазин то ли за пивом, то ли за квасом. На обратном пути при попытке познакомиться с мальчиками Чикатило был задержан оперативной группой. При обыске в квартире были обнаружены более 20 кухонных ножей, обувь, отпечаток подошвы которой совпал с найденным около одной из жертв отпечатком, а также уже известный со времени первого задержания в 1984 году портфель с веревкой, ножом и банкой вазелина.
14 апреля 1992 года в Ростовском областном суде начался процесс над маньяком. На суде присутствовали родственники потерпевших и простые жители Ростова-на-Дону, журналисты широко освещали ход судебных заседаний, по телевидению показывали фрагменты процесса. Чикатило поместили в клетку, чтобы, в первую очередь, защитить подсудимого от возможной расправы со стороны потерпевших. На суде Чикатило вел себя агрессивно, выкрикивал не относящиеся к делу фразы, срывал судебные заседания. Возможно, таким образом он пытался убедить суд в своей невменяемости. Помимо обвинений в убийстве, на процессе рассматривались обстоятельства изнасилования и совершения развратных действий в отношении несовершеннолетних.
15 октября 1992 года Чикатило был приговорен судом к высшей мере наказания: «При назначении наказания Чикатило, несмотря ни на какие смягчающие его вину обстоятельства, учитывая чудовищные злодеяния, что он творил, судебная коллегия не может не назначить ему единственное наказание, которое он заслуживает — исключительную меру, и приговаривает его — к смертной казни». Приговор подтвердил причастность Чикатило к 52 убийствам, один эпизод был исключен из списка вменяемых преступлений за недостаточностью доказательств.
14 февраля 1994 года Чикатило был казнен выстрелом в голову. Похоронили его на тюремном кладбище под номером, без указания имени. Так завершилась жизнь палача и мучителя, которого с интересом воспринимают только в прикладных судебно-медицинских дисциплинах в качестве специфического объекта для изучения. А в целом, его вспоминают с отвращением, как большую ошибку природы, как опухоль, которую чем быстрее удалишь, тем лучше.