22 мая был арестован Тухачевский и председатель центрального совета Осавиахима комкор Р. П. Эйдеман. Через три дня после своего ареста Тухачевский стал давать признательные показания. В книге Н. А. Зеньковича «Маршалы и генсеки» опубликованы показания Тухачевского, написанные им во внутренней тюрьме НКВД. Маршал писал, что переворот первоначально планировался на декабрь 1934 года. Но его пришлось отложить из-за убийства Кирова. Заговорщики испугались взрыва народного негодования. Р. Баландин и С. Миронов не исключают и того, что после 1 декабря 1934 года «была усилена охрана руководителей государства».
24 мая Сталин за своей подписью направил членам и кандидатам в члены ЦК ВКП(б) для голосования опросом документ, в котором говорилось: «На основании данных, изобличающих члена ЦК ВКП(б) Рудзутака и кандидата в члены ЦК ВКП(б) Тухачевского в антисоветском троцкистско-правом заговорщическом блоке и шпионской работе против СССР в пользу фашистской Германии, Политбюро ЦК ВКП(б) ставит на голосование предложение об исключении из партии Рудзутака и Тухачевского и передаче их дела в Наркомвнудел». В тот же день кандидат в члены Политбюро и заместитель председателя Совнаркома СССР Я. Э. Рудзутак был арестован. Примерно в это же время был арестован бывший полпред СССР в Турции Л. K. Карахан.
28 мая был арестован И. Э. Якир. Сразу же после первой очной ставки со следователем Якир, как сообщалось в 12-м номере «Известий ЦК КПСС» за 1989 год, «написал заявление Ежову, в котором признал себя участником заговора и что в заговор его вовлек Тухачевский в 1933 году».
29 мая был арестован И. П. Уборевич. Категорически отрицая свое участие в шпионаже и вредительстве, Уборевич показал, что заговор возник в 1934 году и тогда же он был в него вовлечен Тухачевским.
30 мая было принято решение отстранить Я. Б. Гамарника и родственника жены Тухачевского Л. H. Арныггама от работы в наркомате обороны и исключить их из состава Военного совета при наркоме обороны. 31 мая Я.Б. Гамарник покончил жизнь самоубийством. (Знаментально, что, как и И. Э. Якир, Я. Б. Гамарник яростно выступал на февральско-мартовском пленуме за всемерное расширение репрессий.)
С лета 1936 года по 1 июня 1937 года был арестован 131 военнослужащий высшего состава. 1 июня был арестован заместитель командующего Дальневосточным фронтом комкор М. В. Сангурский. 5 июня был арестован начальник бронетанковых войск Красной Армии комдив Г. Г. Бокий.
М. И. Тухачевский, И. П. Уборевич, И. Э. Якир. Б. М. Фельдман, Р. П. Эйдеман, А. И. Корк, В. К. Путна и В. М. Примаков предстали 11 июня перед судом Военной коллегии Верховного суда СССР. В тот же день был вынесен приговор, который на следующий день был приведен в исполнение.
Объясняя причины такой поспешности в рассмотрении дела, вынесении приговора и приведения его в исполнение, А. Орлов писал: «В октябре 1937 года один из видных чинов НКВД, С. М. Шпигельгляс, прибыл навестить меня в Испанию… Говоря о часах, которые предшествовали аресту и казни Тухачевского, Шпигельгляс поведал мне: „На самой верхушке царила паника. Все пропуска в Кремль были объявлены недействительными. Наши войска НКВД находились в состоянии боевой готовности“». На этот же источник ссылался и Карелл: «Надежный свидетель — работник НКВД Шпигельгляс приводил слова замнаркома внутренних дел Фриновского: „Весь советский строй висел на волоске“».
Еще до завершения следствия по делу Тухачевского и других в своем выступлении 2 июня 1937 года на расширенном заседании Военного совета при наркоме обороны Сталин объявил, что был раскрыт «военно-политический заговор против Советской власти». Перечисляя участников заговора, Сталин, судя по неисправленной стенограмме его выступления, говорил: «Троцкий, Рыков, Бухарин — это, так сказать, политические руководители. К ним я отношу также Рудзутака, который также стоял во главе… Карахан, Енукидзе. Дальше идут: Ягода, Тухачевский — по военной линии, Якир, Уборевич, Корк, Эйдеман, Гамарник… Это ядро военно-политического заговора, ядро, которое имело систематические отношения с германскими фашистами, особенно с германским рейхсвером, и которые приспосабливали всю свою работу к вкусам и заказам со стороны германских фашистов».
Сталин категорически отказывался объяснять действия заговорщиков их идейно-политическими убеждениями. Как и на февральско-мартовском пленуме, Сталин отвергал огульное осуждение людей за их былую приверженность к троцкизму. Он опять напоминал про то, что «Дзержинский голосовал за Троцкого, не только голосовал, а открыто Троцкого поддерживал при Ленине против Ленина… Это был очень активный троцкист, и все ГПУ хотел поднять на защиту Троцкого. Это ему не удалось. Андреев был очень активным троцкистом в 1921 году… Были люди, которые колебались, потом отошли, отошли открыто, честно и в одних рядах с нами очень хорошо дерутся с троцкистами. Дрался очень хорошо Дзержинский, дерется очень хорошо товарищ Андреев».
Сталин отверг и объяснение участия в заговоре ряда лиц их «классово чуждым» происхождением. Он заявлял: «Говорят, Тухачевский — помещик… Такой подход, товарищи, ничего не решает… Ленин был дворянского происхождения… Энгельс был сын фабриканта — непролетарские элементы, как хотите. Сам Энгельс управлял своей фабрикой и кормил этим Маркса… Маркс был сын адвоката, не сын батрака и не сын рабочего… И наоборот. Серебряков был рабочий, а вы знаете, каким мерзавцем он оказался. Лившиц был рабочим, малограмотным рабочим, а оказался шпионом… Поэтому общая мерка, что это не сын батрака, — это старая мерка, к отдельным лицам не применимая. Это не марксистский подход… Это, я бы сказал, биологический подход, не марксистский. Мы марксизм считаем не биологической наукой, а социологической наукой».
Отметая те обвинения, которые могли бы стать основой для развязывания репрессий по идейному или классовому признаку и тем самым дестабилизировать советское общество, Сталин в то же время подчеркивал, что в СССР нет условий для массового недовольства существующим строем и политикой правительства. Он говорил: «Политика как будто бы неплохая, международный вес нашей страны растет бесспорно, армия внизу и в средних звеньях, отчасти в верхних звеньях, очень здоровая, все дело идет вперед… Всякому путь открыт для того, чтобы двигаться вперед, неужели же еще при этих условиях кто-нибудь будет думать о контрреволюции?»
Сталин подчеркивал, что Тухачевский, Ягода, Гамарник, Рудзутак, Енукидзе и другие не представляют массовых общественных сил, а стали наемными агентами германской армии. Чтобы подкрепить это обвинение, Сталин рассказал о некоей Жозефине Гензи, «опытной разведчице» рейсхвера, которая якобы завербовала Енукидзе, Карахана и Тухачевского, и сослался на статью С. Уранова «О некоторых коварных приемах вербовочной работы иностранных разведок», опубликованной в «Правде» 4 мая 1937 года. В этой статье, получившей большой отклик в стране и изданной вскоре отдельной брошюрой, содержалось несколько схожих историй о том, как вовлекали советских людей в сети шпионажа. Поскольку людей, выезжавших за границу и знавших Жозефину Гензи, были единицы, Сталин лишь усиливал впечатление о том, что заговорщиков мало. Он говорил: «Ядро, состоящее из 10 патентованных шпионов и 3-х патентованных подстрекателей шпионов». Они, по словам Сталина, завербовали лишь несколько сотен человек для участия в заговоре.