کیفیت شهادت عبدالله آمده است که چون اصحاب امام حسین(ع) و عده‌ای از اهل بیت او کشته شدند،حضرت عباس(ع) وی را خواست و به او گفت: پا به میدان بگذار تا شهامت و شجاعت تو را ببینم و داغ تو را مایه اجر خویش بشمارم، زیرا تو را فرزندی نیست. عبدالله اجابت کرد و در حالی که این رجز را می‌خواند، به دشمن حمله ور شد: انا ابن ذی النجدة و الفضال ذاک علی الخیر ذوالفعال سیف رسول الله ذوالنکال فی کل یوم ظاهر الاهوال من فرزند کسی هستم که دلیر و بخشنده است و آن علی برتر است که دارای روش نیکو می‌باشد او شمشیر فرستاده خداست که انتقام می‌گیرد و هیبتش در میان قومی آشکار است عبدالله بن علی در مصاف با لشگریان عمربن سعد تعدادی از آنها را به قتل رساند و در نهایت به شهادت رسید. برخی قاتل عبدالله بن علی(ع) را هانی بن ثبیت حضرمی نوشته‌اند که ضربتی بر سر عبدالله فرود آورد و او را به شهادت رساند. اما قول دیگر قاتلش را خولی بن یزید معرفی می‌کند که وی عبدالله را با تیری نشانه گرفت. پس از آن مردی از بنی تمیم از ابان بن درام او را به قتل رساند. سن او به هنگام شهادت بیست و پنج سال نوشته‌اند. ابوالفرج می‌گوید: وی از خود فرزندی به یادگار نگذاشت. اما طبری از شخصی به نام عباس بن حسن بن عبدالله بن علی(ع) یاد می‌کند. که نوه عبدالله بن علی(ع) محسوب می‌شود.