پس از جلب موافقت،گردان المهدى كه از آخرين گردانهاى عملكننده در عمليات كربلاى 5 بود وارد عمليات شد.مرتضى در زمان حركت گردان به جلو، در پشت درياچه ماهى براثر اصابت تركش خمپاره به شهادت رسيد.
ستاد معراج شهدا در نامه 27 دى 1365 تاريخ شهادت مرتضى فخرزاده را 26 دى 1365 و علت شهادت را اصابت تركش خمپاره و قطع دست چپ و راست و پاها و پارگى شكم اعلام كرد. پيكر شهيد در شهرستان اردبيل در گورستان ميراشراف به خاك سپرده شد.در فرازى از وصيتنامه شهيد آمده است:
«من در هر لحظه از ابعاد زندگيم افتخار میكردم كه يك نفر خدمتگزار كشور اسلامى هستم و افتخار مىكردم يك زمان، طبق قانون قرآن و اسلام به رهبرى امام خمينى در عصر حاضر زندگى میكردم.اى جوانان، اى سربازان امام زمان و اى ملت شريف ايران، قدر اين كشور اسلامى را بدانيد و جديت كنيد و نگذاريد اين جمهورى اسلامى به دست چند نفر از قلدران [كه] همچون گذشته به وطن عزيزمان ايران تجاوز كرده بودند، بيافتد. و اى ملت فداكار ايران اين جمهورى اسلامى آسان به دست شما ملت نرسيده...»
و در بخش ديگرى خطاب به مادر و خواهرش میگويد:
«مثل حضرت زينب، استقامت كنيد و زياد گريه نكنيد و زمانى كه خواستيد براى من گريه كنيد،امام حسينوحضرت على اكبر و ابوالفضل را ياد كرده و گريه كنيد...»