Am 3. September 1944 fuhr der letzte Zug mit 1.019 Juden nach Auschwitz, wo er zwei Tage später ankam. An der Rampe sahen sich die Männer und Frauen zum letzten Mal. Es ist nicht eindeutig geklärt, ob alle Bewohner des Hinterhauses die „Selektion“ überstanden. Nach Aussagen und Nachforschungen des Roten Kreuzes wurde Hermann van Pels direkt nach der Ankunft vergast; allerdings behauptete Otto Frank, er sei erst einige Wochen später, also kurz bevor die Vergasungen eingestellt wurden, ermordet worden. Auguste van Pels wurde über das KZ Bergen-Belsen und KZ Buchenwald am 9. April 1945 ins Ghetto Theresienstadt gebracht. Sie starb während des Transports nach Theresienstadt. Peter van Pels wurde am 16. Januar 1945 auf einen Todesmarsch von Auschwitz zum KZ Mauthausen geschickt, wo er kurz vor der Befreiung starb. Edith Frank starb am 6. Januar 1945 in Auschwitz an Hunger und Erschöpfung. Zuvor hatte sich Rosa de Winter um Annes Mutter gekümmert und sie in eine Krankenbaracke gebracht.
Anne war drei Monate vor der Ankunft in Auschwitz 15 Jahre alt geworden und entging damit dem direkten Tod. 549 der 1.019 Passagiere – darunter alle Kinder unter 15 Jahren – kamen direkt in die Gaskammern. Die 258 Männer und 212 Frauen, die die Selektion überstanden hatten, mussten die demütigende Prozedur mit Ausziehen, Desinfektion, Rasur und dem Eintätowieren einer Nummer auf ihrem Arm über sich ergehen lassen. Anne, Margot und Edith Frank wurden in Block 29 des Frauenlagers Birkenau untergebracht. Da ihnen eine hohe Nummer eintätowiert worden war, standen sie in der Hierarchie weit unten. Tagsüber mussten sie harte Arbeit verrichten und nachts in überfüllten Baracken frieren. Die anderen Häftlinge beschrieben Anne als stark oder introvertiert. Ihre Sehnsucht und ihr Lebenswille erwiesen sich als treibende Kraft. Dennoch konnte sie den Krankheiten, die wegen der katastrophalen hygienischen Bedingungen im Lager grassierten, nicht entfliehen und infizierte sich mit Krätze. Zum Schutz der anderen Häftlinge wurde sie zusammen mit Margot in einen Isolierblock, den sogenannten Krätzeblock verlegt. In diesem Isolierblock herrschten noch katastrophalere hygienische Zustände.
Da die Alliierten immer näher rückten, entschlossen sich die Nationalsozialisten, Auschwitz allmählich zu räumen. Am 28. Oktober deportierten sie 1308 Frauen aus Birkenau ins KZ Bergen-Belsen. Sie gehörten zu den insgesamt 8.000 „kranken, aber potentiell wiederherstellungsfähigen Frauen“ (Müller 2000: 337), die für einen späteren Einsatz in der Rüstungsindustrie vorgesehen waren. In Bergen-Belsen brachte man Anne und Margot sowie die anderen Gefangenen in Zeltlagern unter. Die beiden Mädchen verlegte man im Januar 1945 in ein Schonungslager. Dort traf sie ihre Freundinnen Hannah Goslar und Nanette Blitz wieder, die seit Februar 1944 als „Austauschjüdinnen“ in einem anderen Lagerteil gefangen waren. Bei ihren Gesprächen am Zaun erzählte Anne, die wegen Läusebefalls nur mit einem Tuch bekleidet war, dass sie und ihre Schwester alleine seien, weil sie ihre Eltern für tot hielt. Hannah und Nanette beschrieben Anne als kahl, ausgemergelt und zitternd, aber Anne zeigte sich trotz ihrer eigenen Krankheit mehr um Margot besorgt.
Im März 1945 breitete sich eine Typhus-Epidemie im Lager aus, die (geschätzt) 17.000 Gefangene tötete und der auch Anne und Margot zum Opfer fielen. Laut Zeugenaussagen fiel Margot geschwächt von ihrer Pritsche und starb. Einige Tage später war auch Anne tot. Die genauen Daten wurden kurz vor dem Kriegsende nicht mehr notiert. Wenige Wochen später, am 15. April 1945, befreiten britische Truppen das Lager.
Otto Frank überlebte als Einziger der im Hinterhaus untergetauchten Juden. Nach der Befreiung des KZ Auschwitz-Birkenau durch die Rote Armee am 27. Januar 1945 wohnte er bis 1953 weiter in Amsterdam. Dann übersiedelte er in die Schweiz nach Basel, wo seine Schwester lebte. Dort heiratete er die gebürtige Wienerin Elfriede Markovits, die ihren ersten Mann, Erich Geiringer, und ihren Sohn ebenfalls im Konzentrationslager Auschwitz verloren hatte. Bis zu seinem Tod am 19. August 1980 lebte Otto Frank in Birsfelden bei Basel und widmete sich dem Tagebuch seiner Tochter Anne und der Verbreitung der darin enthaltenen Botschaft.