El 22 de septiembre de 1866, cayó mortalmente herido en la batalla de Curupayty, a los 21 años de edad. En ese mismo día, poco antes de ir a la batalla, Dominguito había escrito una carta emotiva para su madre Benita Martínez Pastoriza:
El 22 de septiembre de 1866 las tropas aliadas, argentinas y brasileñas marcharon al asalto de las trincheras paraguayas de Curupaytí. Los jefes y oficiales llevaban sus mejores ropas de gala, los oficiales con sus galones relumbrantes y calzando guantes blancos.
Dominguito Fidel Sarmiento (1845-1866), el hijo de Sarmiento. tenía 21 años y estaba incorporado como capitán por propia voluntad al 12° de Línea que mandaba el mayor Lucio V. Mansilla.
El día anterior Dominguito había escrito a su madre en una libreta que llevaba siempre consigo:
Querida Madre:
La guerra es un juego de azar. La suerte puede sonreír o abandonar al que se expone al plomo enemigo. Lo que a uno lo sostiene es el pensamiento del mañana: la ambición de un destino brillante. Esta ambición y la santa misión de defender a mi patria, me da una fe inquebrantable en mí y en el camino que he tomado. ¿Qué es la fe? No puedo explicarlo, pero me basta con tenerla. Y si el presentimiento de que no caeré en combate es sólo una ilusión que me permite tener coraje y cumplir con mi deber, te pido madre que no sientas mi pérdida hasta el punto de dejarte vencer por el dolor. Morir por la patria es darle a nuestro nombre un brillo que nada borrará, y no hay mujer más digna que aquella que, con heroica resignación, envió a la batalla al hijo de sus entrañas. Las madres argentinas transmitirán a las generaciones venideras el legado de nuestro sacrificio. Pero dejemos aquí estas líneas, que esta carta empieza a parecer una carta póstuma. Hoy es 22 de septiembre de 1866. Son las diez de la mañana. Las balas de grueso calibre estallan sobre el batallón. ¡Adiós madre mía!"
El general Ignacio H. Fotheringham, entonces teniente de 24 años, dice que vio pasar al 12° «con su jefe Mansilla al frente y con él van sus oficiales, entre ellos el capitán Domingo F. Sarmiento mandando su compañía. Con un gran abrazo me dice Sarmiento: ¡Hasta luego, inglesito! Más tarde murió de hemorragia atravesadas las piernas de un balazo. Después le vi muerto ya, llevado sobre una manta por cuatro soldados. El pantalón color garance (rosa). apenas dejaba ver las manchas inmensas de sangre generosa que vertieron las mortales heridas...».