Paradoxem je, že stejně jako mnoho jiných nastických pohlavárů, nestanul po válce před soudním tribunálem v Norimberku. Navíc si ho najala americká a západoněmecká zpravodajská služba, která ho rekrutovala jako špiona. Jako agent působil v Bolívii, kde se snažil pod novou identitou svrhnout vládu a sledovat pašeráky kokainu.
Minulost ho však dohnala v roce 1971. Našli ho lovci nacistů, konkrétně manželé Serge a Beate Klarsfeldovi, kteří ho chtěli předat francouzské vládě. Země však v té době neměly mezi sebou dohodu o vydávání zločinců a Barbieho trestné činy byly takzvaně promlčeny. Bývalý šéf lyonského gestapa tak zůstával v Jižní Americe, a to až do roku 1983, kdy se v Bolívii změnila vláda. Barbie byl konečně poslán do Francie a postaven před soud, aby se za své činy zodpovídal.
Zločinů, kterých se dopustil, nebylo málo. Navíc je prováděl s takovou brutalitou, že by se za ně nestyděl ani středověký kat. Mstil se francouzským partyzánům a Židům tak, že je svazoval, pálil, pouštěl do nich elektrický proud, bil je bičem a obuškem. Svým obětem také lámal končetiny a posílal na ně zuřivé psy.
Barbieho nejznámější obětí byl Jean Moulin, šéf francouzského odboje. Navzdory tomu, že mu byly vytrhány nehty, lámány prsty ve dveřích a do jeho těla zapichovány jehly, nikdy žádné informace neprozradil. Zemřel 8. července 1943 na opakované bití a mučení. To, že Barbie neměl svědomí, dokazuje případ 44 židovských školáků. Lyonský šéf gestapa je nejprve mučil, sexuálně zneužíval a poté je poslal do koncentračního tábora v Osvětimi.
Po vydání do Francie nebyl poslán na smrt, jak by se dalo předpokládat, ale byl odsouzen k doživotnímu vězení za zločiny proti lidskosti. To, co se s Barbiem dělo v jeho posledním období života, odhalil v dopisech, které zaslal v letech 1983 až 1991 svému nejlepšímu příteli v Bolívii Alvarovi de Castrovi. Dopisy jsou součástí knihy „Klaus Barbie. Un Novio de la Muerte”, kterou napsali Peter McFarren a Fadrique Iglesias. V dopise z 31. března 1988 Barbie uvádí: "Hlavním bodem je, že mám čisté svědomí, a že důvodem mých činů byla krutá válka, během níž jsem plnil své povinnosti vůči své vlasti." Jeden z autorů knihy, Fadrique Iglesias, v rozhovoru pro zpravodajskou agenturu Efe uvedl: "Dopisy ukazují, že nikdy nečinil pokání a dokonce věřil, že kdyby Německo vyhrálo válku, nebyl by považován za vraha."
Lyonský řezník Klaus Barbie zemřel na leukémii, rakovinu páteře a prostaty, a to čtyři roky po svém odsouzení. Dožil se 77 let.