От Козлодуй четата на Ботев се отправя към Враца, центъра на революционния окръг, минавайки през селата Бутан и Борован, но никой от тамошните българи не се присъединява към четниците, въпреки предварителните очаквания. Четата влиза в спорадични престрелки с местни черкези, но без съществени последствия. Едва в ранната сутрин на 18 май край село Баница, на около 20 километра от Враца, четата влиза в по-сериозно сражение с голяма група черкези, след което се оттегля на височината Милин камък.

През целия ден на 18 май Ботевата чета се отбранява на Милин камък от около 200 – 300 черкези и друг башибозук. Те се надяват на помощ от Враца, където очакват да започне въстание, но това не става. Вместо това към Милин камък са изпратени части на редовната османска армия и около 30 от четниците са убити или ранени. Останалите използват нощта, за да се оттеглят на юг към Врачанската планина. На 19 май във Враца са въведени значителни османски войски и възможността за въстание в града е пресечена, а Ботевата чета се насочва към вътрешността на Стара планина.

Към полунощ срещу 20 май четата достига местността Вола, където се установява, за да пренощува, но скоро е открита от черкези и башибозук и започва сражение, към което по-късно се присъединява и редовна османска войска с две оръдия. То продължава през целия ден, като четата претърпява тежки загуби и остава почти без муниции.

Вечерта на 20 май (1 юни нов стил) след като сражението е затихнало, куршум пронизва Ботев и той умира на място. Точното място на смъртта и въпросът за убиеца на Ботев са предмет на продължителни спорове, но днес преобладава мнението, че това става в подножието на връх Камарата в Стара планина. Съществуват две основни версии за смъртта му. Първата, която е широко застъпена в популярната историография, гласи, че Ботев е застрелян от османски снайперист. Втората версия, която рядко се коментира сред историците (но напоследък добива популярност сред общественото мнение) и е основана на становища на вещи лица и анализатори, е, че Ботев е убит при заговор от свои четници. Известно е, че след стъпването на дунавския бряг Ботев има няколко големи скандала с Апостолов и Никола Обретенов, задето го подвели за готовността на народа да се вдигне на бунт. Според експертни заключения, съобразени с разстоянието, от което е стреляно, светлината по това време на денонощието, релефа на местността и характеристиките на оръжието, използвано по онова време от редовната армия, излиза, че първата версия е малко вероятна.

След смъртта на Ботев тялото му е оставено непогребано, а след откриването му на следващия ден главата му е отрязана от османците и е изложена на площада във Враца, който днес носи неговото име.