Судя по всему в то время Тухачевский готовился к отъезду в Лондон. 3 мая 1937 года документы на Тухачевского были направлены в Посольство Великобритании в СССР. Но уже 4 мая они были отозваны. Главой советской делегации на коронацию Георга VI был назначен заместитель наркома обороны по военно-морскому флоту В. М. Орлов. Очевидно, что подозрения, усилившиеся после 1 мая, заставили руководство страны внезапно пересмотреть решение относительно отъезда Тухачевского.

Тем временем 6 мая был арестован комбриг запаса М. Е. Медведев. Как сообщалось в «Известиях ЦК КПСС» (1989, № 12), через день после ареста Медведев сообщил о своем участии в заговорщической организации, «возглавляемой заместителем командующего войсками Московского военного округа Б. М. Фельдманом».

По утверждению В. Шелленберга, «материалы против Тухачевского были переданы русским в середине мая 1937 года». Возможно, это произошло в начале второй декады мая, и это обстоятельство, помимо признаний арестованных о заговоре в руководстве Красной Армии, стало причиной того, что 10–11 мая было объявлено, что Тухачевского освободили от обязанностей заместителя наркома обороны и назначили командующим Приволжским военным округом. Одновременно был снят с поста замнаркома обороны Я. Б. Гамарник, а И. Э. Якир был переведен командовать военным округом из Киевского в Ленинградский. Кроме того, было опубликовано постановление об усилении полномочий военных комиссаров в армии, фактически означавшее восстановление двойного управления, как в годы Гражданской войны.

В ночь на 14 мая был арестован начальник Военной академии имени Фрунзе командарм А. И. Корк. Р. Баландин и С. Миронов писали: «Через день после ареста Корк написал два заявления Ежову. Первое — о намерении произвести переворот в Кремле. Второе — о штабе переворота во главе с Тухачевским, Путной и Корком. По его словам, в заговорщическую организацию его вовлек Енукидзе, а „основная задача группы состояла в проведении переворота в Кремле“.»

Арестованный 15 мая Б. М. Фельдман на четвертый день после своего ареста стал давать показания на других участников заговора. К этому времени, через полтора месяца после своего ареста, стал давать показания на Енукидзе, Тухачевского, Петерсона и Корка Г. Г. Ягода. Показания на своих коллег по заговору примерно через месяц после своего ареста стали давать арестованные работники НКВД Гай и Прокофьев.

20 мая был опубликован приказ Ворошилова о перемещении командующего Белорусским военным округом И. П. Уборевича на должность командующего Среднеазиатским военным округом, а Гамарника на должность члена военного совета того же округа.

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“».