Όμως ο Άγιος Χαράλαμπος, όχι μόνο δεν το έκανε αυτό, αλλά αντίθετα ομολόγησε στον έπαρχο την προσήλωσή του στον Χριστό και δήλωσε με παρρησία ότι σε οποιοδήποτε βασανιστήριο και να υποβληθεί δεν πρόκειται να αρνηθεί την πίστη της Εκκλησίας. Τότε η σκοτισμένη και σαρκική ψυχή του Λουκιανού επέτεινε την οργή της και διέταξε να αρχίσουν τα φρικώδη βασανιστήρια στο γέροντα ιερέα. Πρώτα τον γύμνωσαν και ο ίδιος ο Λουκιανός, παίρνοντας το ξίφος του προσπάθησε να πληγώσει το σώμα του Αγίου. Όμως αποκόπηκαν τα χέρια του και έμειναν κρεμασμένα στο σώμα του Ιερομάρτυρα και μόνο ύστερα από προσευχή του Αγίου συγκολλήθηκαν αυτά πάλι στο σώμα και ο ηγεμόνας κατέστη υγιής. Βλέποντας αυτό το θαύμα του Αγίου πολλοί από τους δημίους πίστεψαν στον αληθινό Θεό.
Με το ζόφο στο νου και με τη θηριωδία στην καρδιά, ο έπαρχος έδωσε εντολή να διαπομπεύσουν τον Άγιο και να τον σύρουν διά μέσου της πόλεως με χαλινάρι. Τέλος, διέταξε τον αποκεφαλισμό του Αγίου, ο οποίος με το μαρτύριό του έλαβε το αμαράντινο στέφανο της δόξας σε ηλικία 113 ετών.
Περί των Λειψάνων του Αγίου Χαραλάμπους δεν υπάρχουν συγκεκριμένες μαρτυρίες. Η μοναχή Θεοτέκνη Αγιοστεφανίτισσα στο Συναξάρι του Αγίου Χαραλάμπους (1995 μ.Χ.), καταχωρεί πληροφορίες σχετικά με την τιμία Κάρα του Αγίου, η οποία φυλάσσεται στη Μονή Αγίου Στεφάνου Μετεώρων. Σύμφωνα με τις πληροφορίες αυτές, η Κάρα του Αγίου δωρήθηκε στη Μονή από τον Ηγεμόνα της Βλαχίας Βλαδισλάβο, το 1412 – 1413 μ.Χ., μαζί με δύο κτήματα στο Μετόχι Μπουτόϊ. Για την εποχή και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες βρέθηκε το πολύτιμο αυτό κειμήλιο στη Βλαχία, δεν σώθηκαν πληροφορίες. Επίσης, τμήματα της τιμίας κάρας του Αγίου Χαραλάμπους φυλάσσονται και στον ομώνυμο προσκυνηματικό ναό της κωμοπόλεως Θεσπιών της Βοιωτίας.
Το μεγαλύτερο μέρος της Κάρας του Αγίου βρίσκεται στη Μονή Αγίου Στεφάνου Μετεώρων.
Τμήματα της Κάρας του Αγίου βρίσκονται στον ομώνυμο Ιερό Ναό Θεσπιών Βοιωτίας, στη Μονή Κλειστών Αττικής και στον Ιερό Ναό Φανερωμένης Ν. Ηρακλείτσας Καβάλας. Η σιαγόνα του Αγίου βρίσκεται στη Μονή Κουτλουμουσίου Αγίου Όρους. Η αριστερά αδιάφθορη και μια πλευρά «μετά δέρματος» του Αγίου βρίσκονται στη Μονή Γρηγορίου Αγίου Όρους. Δέρμα και απότμημα του Ιερού Λειψάνου του Αγίου βρίσκονται στο Παρεκκλησίο της Οσίας Ξένης της Ρωσίδος Μάνδρας Αττικής. Η δεξιά παλάμη του Αγίου βρίσκεται αδιάφθορη «εἰς σχῆμα εὐλογίας» στη Μονή Μεγ. Σπηλαίου Καλαβρύτων. Ένας δάκτυλος του Αγίου βρίσκεται στη Μονή Τσιολάνου Μπουζέου Ρουμανίας. Μέρος ποδός του Αγίου βρίσκεται στη Μονή Παναγίας Πορταΐτισσας Κορνοφωλιάς Έβρου. Μεγάλο τμήμα του χειρός του Αγίου βρίσκεται στη Μονή Αγίου Γεωργίου Φενεού Κορινθίας. Έξι τμήματα του Ιερού Λειψάνου του Αγίου βρίσκονται στην Ιερά Μονή Διονυσίου Αγίου Όρους. Ένας δάκτυλος και 9 τμήματα του Ιερού Λειψάνου του Αγίου βρίσκονται στη Μονή Παντοκράτορος Αγίου Όρους. Αποτμήματα του Ιερού Λειψάνου του Αγίου βρίσκονται στις Μονές Δαδίου Φθιώτιδος, Λειμώνος Λέσβου, Παναγίας Γουμενίσσης Κιλκίς, Αρχαγγέλου Αριδαίας, Οσίου Διονυσίου Λιτοχώρου, Ζάβορδας Γρεβενών, Αγίων Αναργύρων Καστοριάς, Ροβελίστας Άρτης, Σταγιάδων Καλαμπάκας, Παν. Σπηλιάς Καρδίτσης, Αμπελακιώτισσας και Βαρνάκοβας Ναυπακτίας, Σαγματά Βοιωτίας, Πεντέλης Αττικής, Βουλκάνου Μεσσηνίας, Γηροκομείου Πατρών, Οσίου Θεοδοσίου Άργους, Αγίου Νικολάου Καλτεζών Αρκαδίας και Σεπετού Ηλείας και στη Λαύρα Αγίου Αλεξάνδρου Νέβσκι Αγίας Πετρουπόλεως.