После более чем четырехмесячной болезни, 3 мая 1946 года, вновь начались допросы, которые продолжались с 10 часов утра до 16 часов. Во время этих допросов на Петра Дмитриевича оказывалось психологическое воздействие: его обвиняли в неискренности показаний, пытались уличить в заведомой лжи. Его участие в эмигрантских организациях, предосудительное с точки зрения следствия, само по себе стало отягощаться обвинениями в том, что эти организации поддерживали связь с «органами иностранных государств» и руководствовались в своей деятельности директивами последних. В частности, речь шла о якобы существовавших связях Пражского национального комитета с «японскими дипломатическими организациями». Долгоруков категорически отверг это явно надуманное обвинение. Затем его пытались обвинить в контактах с руководителем РОВСа генералом Миллером. В ответ на это Долгоруков заявил: «Я к РОВСу не примыкал». Начиная с 64-й и по 67-ю страницу следственного дела, зафиксировавшего этот допрос, на листах имеются обильные темные пятна – складывается впечатление, что, читая текст протокола допроса, Петр Дмитриевич плакал.
Постоянные обвинения в сотрудничестве с гестапо особенно угнетающе действовали на подследственного. Он неоднократно подчеркивал: «Ранее я уже показал и сейчас повторю, что Объединение эмигрантских организаций в Праге, председателем которого я был, не объединяло политически эмигрантских организаций и, таким образом, при переговорах со мной в Берлине ни Бискупский, ни Остен-Сакс, ни другие представители германских органов не ставили вопроса об активизации антисоветской деятельности объединявшихся мной эмигрантских организаций, как и не говорили вообще о политической работе».
6 мая было принято постановление о переквалификации состава преступления: «Привлечь Долгорукова Петра Дмитриевича в качестве обвиняемого по ст. 58-4 и 58–11 УК РСФСР, прекратив обвинение по ст. 58-3 УК РСФСР». В тот же день был подписан протокол об окончании следствия, сроки которого продлевались уже шесть раз. Накануне, 5 мая, Петр Дмитриевич был освидетельствован медсанчастью Бутырской тюрьмы и был признан негодным к физическому труду. К этому времени Петру Дмитриевичу исполнилось ровно 80 лет.
14 мая 1946 года военный прокурор Главной военной прокуратуры СССР майор юстиции Лозинский подписал обвинительное заключение, в котором отмечалось, что Долгоруков виновным себя не признал, и его дело направлялось на рассмотрение Особого совещания при министре внутренних дел СССР. Мера наказания Долгорукову предлагалась десять лет исправительно-трудовых лагерей, го июля 1946 года Особое совещание, рассмотрев дело Долгорукова, постановило: «За принадлежность к контрреволюционной организации заключить в тюрьму сроком на пять лет, считая с 9 июня 1945 года».
Этот срок Петр Дмитриевич отбывал во Владимирской тюремной больнице, где его и встретил В.В. Шульгин, арестованный в Югославии в 1945 году. «У него, – вспоминал Шульгин о Долгорукове, – была „рожа“, вся правая рука была багрово-красная, температура тридцать девять градусов. Он очень стоически переносил свою болезнь, бодрился…»
Поведение Долгорукова поразило много повидавшего Шульгина, запечатлевшего образ князя в своих воспоминаниях. «Он, – писал Шульгин, – вообще разговаривал охотно и много, очень бодро и с тем оттенком, принятым у старой русской аристократии, который состоял в следующем: важность личного преуменьшалась, наличествовал оттенок легкой насмешки к самому себе и даже ко всей своей аристократической касте». Что было приятно в Петре Дмитриевиче, продолжал Шульгин, «это такое его свойство, как абсолютное отсутствие какого-либо угодничества и подхалимства. Он обращался со всеми этими людьми, начиная от начальника тюрьмы и кончая уборщицей, совершенно одинаково. И при том как с равными».
Еще задолго до отбытия Долгоруковым срока заключения тюремное начальство направляло депеши «наверх», информируя о том, что Долгоруков «по своему состоянию здоровья не может быть направлен в ссылку на поселение». Предлагалось направить его в дом инвалидов, «расположенный в нережимной местности», и передать под надзор органов МГБ «как не имеющего родственников, которые могли бы взять его под опеку». По решению медицинской комиссии от го июля 1948 года Петр Дмитриевич был признан инвалидом I группы. 3 марта и 24 мая 1951 года его еще раз освидетельствовали, зафиксировав при этом старческую дряхлость, общий артериосклероз, порок сердца, двустороннюю паховую грыжу. С мая 1951 года Долгоруков уже не мог без посторонней помощи подниматься с постели. С 8 октября у него начались зрительные и слуховые галлюцинации. го ноября 1951 года в 19 часов 30 минут Петра Дмитриевича не стало.
Через 41 год, 23 июня 1992 года, Петр Дмитриевич Долгоруков был реабилитирован на основании статей 3 и 5 Закона РСФСР «О реабилитации жертв политических репрессий».