Μοιραία, όμως, επειδή για πολύ καιρό η Ματρώνα ξεγελούσε την κυρία της, μια λάθος κίνηση στάθηκε αφορμή για να αποκαλυφθεί η ταυτότητά της. Σε μία εορτή των Ιουδαίων, κατά την οποία συνήθιζαν να τρώνε πικρά χόρτα και άζυμα, η Ματρώνα άργησε να επιστρέψει από το ναό και όταν έφθασε στην συναγωγή γινόταν η τελετή των Επιτιμίων. Ένας από τους δούλους της Παντίλλας κατήγγειλε ότι η Ματρώνα ήταν Χριστιανή και ότι εξαπατά την κυρία της, φροντίζοντας κάθε φορά που αυτή προσερχόταν στην συναγωγή, εκείνη να πηγαίνει στην Εκκλησία. Αυτό προκάλεσε την οργή της Παντίλλας, που δεν δίστασε, ξεσπώντας σε κραυγές, να την κατηγορήσει ότι είναι εχθρική προς αυτήν. Διέταξε αμέσως την σύλληψή της και, αφού την συνέλαβαν και την έδεσαν, άρχισαν να την μαστιγώνουν. Η Ματρώνα, όμως, με παρρησία δήλωσε ότι είναι Χριστιανή και ότι, αν και η κυρία της εξουσίαζε το σώμα της και την ίδια της την ζωή, ωστόσο δεν μπορούσε να την μεταπείσει σε όσα πίστευε.
Η Παντίλλα, αφού την αλυσόδεσε, διέταξε να την φυλακίσουν και να σφραγίσουν την πόρτα του κελιού της. Έπειτα από τρεις ημέρες, νωρίς το πρωί, πήγε η ίδια να δει αν η Ματρώνα ζει. Έκπληκτη διαπίστωσε ότι είχε ελευθερωθεί από τα δεσμά της και στεκόταν φωτεινή ψάλλοντας, χωρίς να έχει το παραμικρό ίχνος τραύματος και βασανισμού. Εξοργισμένη η Παντίλλα διέταξε να δέσουν πάλι την Ματρώνα και να την μαστιγώσουν ανηλεώς. Εκείνη, έκπληκτη για την ιδιαίτερη σκληρότητα της κυρίας της, την ρώτησε γιατί την βασάνιζε, ομολογώντας ωστόσο την πίστη της στον Χριστό. Καταπονημένη από τα βασανιστήρια και μην μπορώντας να σταθεί στα πόδια της, η Ματρώνα κλείσθηκε και πάλι στην φυλακή.
Έπειτα από τρεις ημέρες, όταν η Παντίλλα επισκέφθηκε το κελί της φυλακής της Αγίας, αντίκρισε το ίδιο θέαμα. Την Μάρτυρα απελευθερωμένη από τα δεσμά της, με το ίδιο φωτεινό πρόσωπο, παρά τα βασανιστήρια και την πείνα που υπέστη επί δεκατέσσερις ημέρες. Τότε η κυρία της, γεμάτη οργή, διέταξε να δέσουν την Ματρώνα σε δρύινα ξύλα και να την βασανίσουν. Εξαντλημένη η Αγία από τις μαστιγώσεις και με το σώμα της γεμάτο σημάδια, ψέλλισε με αδύναμη φωνή λίγες λέξεις προσευχής και παρέδωσε το πνεύμα της.
Η Παντίλλα διέταξε τότε κάποιον με το όνομα Στρατόνικος, να τυλίξει το λείψανο της Αγίας σε δέρμα και στην συνέχεια να το ρίξει έξω από τα τείχη της πόλεως. Το ιερό λείψανό της το παρέλαβαν οι Χριστιανοί και το ενταφίασαν με ευλάβεια κοντά στην Λεωφόρο, δηλαδή την Εγνατία οδό. Μετά το τέλος των διωγμών, ο Επίσκοπος Θεσσαλονίκης Αλέξανδρος πήρε το σκήνωμα της Μάρτυρος και το μετέφερε μέσα στην πόλη και, αφού έκτισε ναό, το απέθεσε εντός αυτού.
Την εποχή της Φραγκοκρατίας, όμως, το σκήνωμα της Αγίας μεταφέρθηκε στην Βαρκελώνη και εναποτέθηκε σε ναό, που καταστράφηκε κατά την διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.
Εκτός των τειχών της Θεσσαλονίκης υπήρχε και μονή αφιερωμένη στην Αγία Ματρώνα.