Первым звонком стал арест комкоров Примакова и Путны в августе 1936 года. Их практически в самом начале следствия причислили к некоей военно-троцкистской организации, но до поры имен соучастников они не называли. В апреле 1937 года Политбюро ЦК партии получило сообщение наркома внутренних дел Ежова о готовящемся террористическом акте в отношении советской делегации, направлявшейся в Англию по случаю коронации короля Георга VI. Под этим предлогом участие Тухачевского в делегации было отменено. 10 мая 1937 года Тухачевского понизили в должности до командующего войсками Приволжского военного округа, а уже 22 мая арестовали. В мае же под арест попали остальные участники «группы Тухачевского»: И. Э. Якир, И. П. Уборевич, А. И. Корк, Р. П. Эйдеман, Б. М. Фельдман. Не дожидаясь ареста, совершил самоубийство первый заместитель наркома обороны Я. Б. Гамарник.
Формальным поводом для ареста Тухачевского и военачальников из его окружения послужили сведения об их участии в заговоре с целью отстранения от власти действующих советских руководителей и установления военной диктатуры. Но наибольшим позором стали для Тухачевского выдвинутые против него обвинения в шпионаже в пользу Германии. Поначалу Тухачевский запирался, но после трех очных ставок согласился дать признательные показания.
26 мая Тухачевский написал следователю заявление с условиями чистосердечного признания:
В тот же день, 26 мая, Тухачевский впервые признал вину:
Тухачевский перечислил вредительские действия, которые были предприняты его группой для снижения обороноспособности страны. В этом списке им были названы дезорганизация допризывной подготовки, организация диверсионных групп, срыв строительства железных, шоссейных и грунтовых дорог военного назначения, дезорганизация противовоздушной обороны ключевых городов, халатная приемка военной продукции, подготовка диверсионных взрывов наиболее крупных артиллерийских складов и т. п. Маршал также признался в передаче иностранным разведкам сведений о составе, вооружении и передвижениях советских войск. Он подробным образом нарисовал план поражения СССР в предстоящей войне с польско-германскими армиями и сообщил о вредительских действиях вовлеченных в заговор офицеров, которые должны были этому способствовать.