Несмотря на оперативные мероприятия, к 1 маю 1937 года НКВД еще не располагало существенным компроматом на Тухачевского. Показания арестованных сотрудников НКВД на военных были малоубедительны. Бывший же шеф НКВД Ягода, сам оказавшийся в тюремной камере, отказался оговорить военачальников, заявив на допросе, что «никого из них я вербовать не пытался». Лукавил ли он, сказать сложно. Возможно, бывший шеф НКВД и догадывался о намерениях первого зама наркома обороны — в таком случае успех военных был бы для него единственной надеждой на спасение.
После первомайского парада на праздничном обеде на квартире Ворошилова Сталин в присутствии военачальников произнес угрозы в адрес врагов в армии, однако конкретных имен и фактов не привел. Сохранилось письмо бывшего начальника разведуправления РККА С. Урицкого Ворошилову от 27 сентября 1937 года, в котором приводятся слова Сталина о том, что «враги будут разоблачены, партия сотрет их в порошок».
Но с доказательствами у следователей НКВД было по-прежнему туго. 6 мая НКВД арестовало комбрига запаса М. Медведева, который до 1934 года занимал пост начальника ПВО РККА и был исключен из партии за разбазаривание государственных средств, а 10 мая (на следующий день после внесения Ворошиловым предложений о кадровых перестановках в РККА) из него выбили «показания» об организации, ставившей своей целью «свержение Советской власти, установление военной диктатуры с реставрацией капитализма, чему должна была предшествовать вооруженная помощь интервентов». К числу руководителей военного заговора Медведев, давно оторванный от военной среды, отнес, под диктовку следователей НКВД, Тухачевского, Якира, Путну, Примакова и Корка (начальника Военной академии имени М. В. Фрунзе). Позднее, 16 июня 1937 года, на судебном заседании военной коллегии Верховного суда СССР Медведев нашел в себе мужество назвать свои показания о заговоре в РККА ложными, но было поздно: Тухачевский уже был расстреляй, вскоре расстреляли и Медведева.
При восстановлении хронологии тех трагических событий складывается впечатление, что судьба Тухачевского уже была кем-то предопределена, и все дело было лишь за документальным оформлением развязки.
8 мая следователям НКВД удалось сломать Примакова, который написал заявление на имя наркома внутренних дел, признав свое участие в троцкистской работе. Из показаний военачальника можно сделать вывод, что в его допросе участвовал сам Сталин. 14 мая Примаков заявил, что Якир рассматривался «троцкистской организацией» на пост наркома обороны вместо Ворошилова, а 21 мая он назвал Тухачевского руководителем заговора, связанным с Троцким. В результате ночного допроса 14 мая показания на Тухачевского дал и Путна.
В июне 1955 года на допросе в прокуратуре бывший сотрудник НКВД В. Бударев признал, что Примаков и Путна дали показания только после избиений следователями.
В те дни Тухачевский еще находился на свободе в Москве, готовился к отъезду в Куйбышев. 13 мая у него состоялась встреча в Кремле со Сталиным. О чем говорили Генсек и опальный маршал остается неизвестным, но сам факт беседы можно рассматривать как доказательство того, что Сталин еще не был однозначно уверен в виновности Тухачевского.
Санкцию на арест Тухачевского и других остающихся на свободе «участников заговора» Ежов запросил у Политбюро 20 мая, при представлении допроса арестованного заместителя командующего войсками Московского военного округа Бориса Фельдмана.
22 мая Тухачевский был арестован в Куйбышеве, в перерыве заседания окружной партконференции, и доставлен в Москву. Протоколы его первичных допросов и очных ставок до сих пор не обнаружены. Судя по показаниям других арестованных, поначалу маршал отрицал свое участие в «заговоре». 29 мая его допрашивал сам Ежов, после чего Тухачевский «сломался» и начал давать «признательные показания», при этом на отдельных листах его показаний от 1 июня в 1956 году были обнаружены пятна крови.
Приведем фрагмент этих показаний: «Еще в 1928 году я был втянут Енукидзе в правую организацию. В 1934 году я лично связался с Бухариным, с немцами я установил шпионскую связь с 1925 года, когда ездил в Германию на учения и маневры… При поездке в 1936 году в Лондон Путна мне устроил свидание с Седовым…». В показаниях, очевидно вырванных у маршала в результате избиений, приводится ряд фактов, которые сегодня невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть: встреча в 1934 году с находящимся в опале Бухариным и беседа с Седовым, сыном Троцкого. Возможно, они и были зафиксированы сотрудниками НКВД, но документы на сей счет историкам неизвестны.