این شهید در تاریخ ۲۱ خرداد ماه سال ۱۳۹۳ به همراه خانواده خود  در مسیر سامرا به نجف گرفتار کمین گروه تروریستی تکفیری داعش می شوند حجت الاسلام سید محمدرضا بطحایی به همراه همسر باردار و فرزند خردسالش سیدمحمد علی و یک خانواده ایرانی دیگر در سامرا توسط تروریست‌های داعش به طرز فجیعی به شهادت رسیدند. حجت الاسلام سید رضا بطحایی طلبه ایرانی ساکن در نجف اشرف به اتفاق خانواده اش و یک خانواده دیگر برای زیارت حرم مطهر امامین عسکریین عازم سامرا شدند. با حمله تروریست های داعش به سامرا و آغاز درگیری ها وی و خانواده اش به اتفاق یک خانواده ایرانی دیگر دو روز در حرم مطهر عسکریین اقامت می کنند. اما ظهر روز پنج شنبه با تصور اینکه امنیت در سامرا برقرار شده است از حرم مطهر خارج تا سامرا را به مقصد نجف اشرف ترک کند که ساعتی بعد در جاده سامرا به کمین نیروهای داعش افتادند. وی هنگام دستگیری ملبس به لباس روحانیت و در حال مکالمه تلفنی با دوستانش در نجف اشرف بوده است که تروریست های داعش تلفن را از وی گرفته و دستگیری آنان را اعلام می‌کنند.  تروریست های داعش پس از دستگیری، این روحانی ایرانی، همسر و فرزند خردسالش و خانواده ایرانی دیگر را به طرز فجیعی به شهادت رساندند.