10 мая 1937 года Сталин сместил Тухачевского с поста заместителя народного комиссара обороны и назначил начальником Приволжского военного округа. Спустя еще несколько дней он и еще четыре его «сообщника»: командующий войсками Киевского военного округа командарм 1-го ранга Иона Якир, командующий войсками Белорусского военного округа командарм 1-го ранга Иероним Уборевич, начальник Военной академии имени М. В. Фрунзе, командовавший ранее войсками Белорусского, Ленинградского и Московского военных округов командарм 2-го ранга Август Корк, председатель Центрального совета Осоавиахима СССР комкор Роберт Эйдеман, были арестованы. Вместе с ними по делу о подготовке переворота проходили арестованные еще за несколько месяцев до этого, в августе 1936 года, военный атташе при полпредстве СССР в Великобритании комкор Витовт Путна, начальник Главного управления кадров РККА комкор Борис Фельдмана, заместитель командующего войсками Ленинградского военного округа комкор Виталий Примаков.
Конечно, арест столь высокопоставленных военных требовал от Сталина неких объяснений. 2 июня, выступая перед членами Военного совета, он подчеркнул, что вина Тухачевского и остальных очевидна, доказательства не оставляют никаких сомнений, речь идет о военнополитическом заговоре против Советской власти, стимулировавшемся и финансировавшемся германскими фашистами. В целом его выступление перекликалось с данными, содержавшимися в подброшенной СД советскому руководству фальшивке. Поддержал Сталина и маршал Ворошилов. К тому времени из арестованных уже были выбиты признания в том, что они являются шпионами «враждебных СССР государств». Последнее, впрочем, было тогда общепринятой практикой. Люди под пытками оговаривали сами себя. Так или иначе, а другого выбора, кроме как осудить «заговорщиков» как злейших врагов народа и Советской власти у членов Военного совета все равно не было. В прения с Ворошиловым, впрочем, вступили некоторые члены совета. В будущем из 42 человек, отважившихся на подобный шаг, 36 были также объявлены врагами народа.
Не смотря на то, что аресты среди военной верхушки Красной армии начались еще в 1936 году, именно «дело Тухачевского» привело к тому, что в РККА начал витать дух подозрительности, а чистки достигли таких масштабов, что спустя еще год офицерский корпус сократился наполовину.
11 июня состоялось слушание дела бывшего замнаркома обороны и арестованных вместе с ним военачальников. Судили Тухачевского Буденный, Блюхер, Шапошников и другие. В соответствии со специальным законом от 1 декабря 1934 года обвиняемые по данной статье не имели права на адвоката, а приговор нельзя было обжаловать.
Не смотря на то, что сами судьи были давно знакомыми обвиняемым еще с Гражданской войны товарищами, Тухачевский и остальные, без сомнения, не испытывали никаких иллюзий относительно того, какой их ждет приговор. Так и оказалось, всех ждала смертная казнь. Как отмечалось в обвинительном заключении, «находясь на службе у военной разведки одного из иностранных государств, ведущего недружелюбную политику в отношении СССР, они систематически доставляли военным кругам этого государства шпионские сведения о Красной Армии, совершали вредительские акты с целью подрыва обороноспособности нашей страны, подготовляли на случай военного нападения на СССР поражение Красной Армии, имели намерение содействовать расчленению Советского Союза и восстановлению в нем власти помещиков и капиталистов».
Материалы, подготовленные в ведомстве Гейдриха, на процессе не фигурировали. Это легко можно объяснить порядками того времени — агентурные сведения, добытые НКВД, нельзя было раскрывать даже в суде. Хотя с досье Буденный и остальные вполне могли ознакомиться и заранее.
Стенограмма процесса показывает, что на суде не было рассмотрено ни одного конкретного факта, подтверждающего вину Тухачевского и его товарищей.
Сам бывший маршал вины не признавал, заявляя: «У меня была горячая любовь к Красной Армии, горячая любовь к Отечеству, которое с гражданской войны защищал… Что касается встреч, бесед с представителями немецкого генерального штаба, их военного атташе в СССР, то они были, носили официальный характер, происходили на маневрах, приемах. Немцам показывалась наша военная техника, они имели возможность наблюдать за изменениями, происходящими в организации войск, их оснащении. Но все это имело место до прихода Гитлера к власти, когда наши отношения с Германией резко изменились». Ему вторили и другие обвиняемые.
Слушать их, однако, никто не стал. Смертный приговор был приведен в исполнение той же ночью.