В конце сентября 1937 года Софья Ивановна уехала в Сухуми на лечение. В письмах к ней Антонов-Овсеенко иногда касался своих служебных дел. В одном из них явственно звучали тревожные нотки. 1 октября 1937 года (за день до ареста) он писал: «…Чувствую напряженность борьбы».
В. А. Антонов-Овсеенко был арестован в ночь с 11 на 12 октября 1937 года. Ордер на арест был подписан заместителем наркома внутренних дел Фриновским. Сразу же были произведены обыски в его квартире, в служебном кабинете и на даче в поселке Николина Гора. Владимир Александрович был доставлен во внутреннюю тюрьму НКВД, а уже 13 октября 1937 года направлен в Лефортовскую, где он находился до 17 ноября. Затем он попал в Бутырскую тюрьму, где содержался до 8 февраля 1938 года, а затем вновь возвращен в Лефортовскую.
В Лефортовской тюрьме Владимир Александрович вызывался на допросы не менее 15 раз, причем 7 раз его допрашивали по ночам. Трижды (14, 15 и 17 октября) он вызывался на допросы по два раза. Наиболее продолжительным по времени был первый ночной допрос 13 октября (7 часов). Допрашивали в основном работники госбезопасности Ильицкий и Шнейдерман. Первые двое суток он категорически отвергал все возводимые на него обвинения, говорил, что ни в чем не виноват, что допущена ошибка и требовал от следователя предоставить ему «уличающие материалы». Затем появилось его короткое «признательное» письмо на имя Ежова. В нем Антонов-Овсеенко писал: «Контрреволюционный троцкизм должен быть разоблачен и уничтожен до конца. И я, оруженосец Троцкого, раскаиваясь во всем совершенном против партии и Советской власти, готов дать чистосердечные признания. Надо прямо сказать, что обвинения меня врагом народа правильно. Я на деле не порвал с контрреволюционным троцкизмом… Эта контрреволюционная организация ставила себе целью противодействие социалистическому строительству, содействие реставрации капитализма, что ее смыкало по существу с фашизмом… Я готов дать развернутые показания следствию о своей антисоветской, контрреволюционной работе, которую осуществлял и в 1937 году».
Можно с уверенностью предположить, что после вырванного у В. А. Антонова-Овсеенко признания, он вновь отказался от своих показаний и стал все отрицать. Лишь этим можно объяснить тот факт, что, несмотря на неоднократные вызовы к следователю, протоколы допросов не составлялись. В них просто нечего было писать. Потом следователи все-таки «вернули» его к признательным показаниям, но только до суда.
Обвинительное заключение по делу В. А. Антонова-Овсеенко было составлено работником госбезопасности Ильицким и утверждено 5 февраля 1938 года заместителем Прокурора СССР Рогинским. Он обвинялся в том, что еще в 1923 году, работая начальником ПУРа, совместно с Л. Д. Троцким разрабатывал план вооруженного выступления против Советской власти, а затем, занимая должность полпреда в Чехословакии, Литве и Польше, вел «троцкистскую деятельность в пользу польской и германской военных разведок». Не забыт был и испанский период службы. В обвинительном заключении указывалось, что Антонов-Овсеенко вошел в организационную связь с германским генеральным консулом и фактически руководил троцкистской организацией в Барселоне в «борьбе против Испанской республики».
Ордер на арест жены В. А. Антонова-Овсеенко Софьи Ивановны был выдан 12 октября 1937 года. На следующий день в Абхазию, где она тогда отдыхала, полетела шифрованная телеграмма, а 14 октября ее уже арестовали в Сухуми, в доме отдыха Синоп, и этапировали в Москву.
Первый допрос произвел сотрудник госбезопасности Шнейдерман, занимавшийся делом ее мужа, 28 октября 1937 года (по оплошности он поставил дату 28 сентября). После этого Софью Ивановну не допрашивали (во всяком случае протоколов допросов в деле нет). Ей даже не объявили об окончании следствия, которое затянулось до начала февраля 1938 года. Обвинительное заключение составил тот же Ильицкий, а утвердил заместитель Прокурора СССР Рогинский. Она обвинялась в том, что была осведомлена о шпионской связи своего мужа В. А. Антонова-Овсеенко и Радека с польской разведкой, а также о деятельности троцкистской террористической организации. Виновной она себя не признала.
Дела Владимира Александровича и Софьи Ивановны Антоновых-Овсеенко рассматривались военной коллегией Верховного суда СССР в один день — 8 февраля 1938 года. Судейская «бригада» была одна и та же: председатель Ульрих, члены Зарянов и Кандыбин и секретарь Костюшко. Заседания были закрытые и проводились без участия обвинения и защиты и без вызова свидетелей.
В 19 часов 55 минут началось слушание дела С. И. Антоновой-Овсеенко. Она сразу же заявила, что виновной себя не признает, с польской разведкой связана не была, а также и не знала, что ее муж является шпионом. В последнем слове Софья Ивановна сказала, что она ни в чем не виновата и верит в справедливость Советской власти.
Короткий приговор был вынесен за несколько минут. В нем Ульрих еще более усугубил ее «вину», записав, что она оказывала содействие в шпионской деятельности некоторым лицам (этого не было даже в обвинительном заключении). Военная коллегия приговорила С. И. Антонову-Овсеенко к высшей мере наказания — расстрелу с конфискацией имущества. Приговор был приведен в исполнение в тот же день.
Судебное заседание по делу В. А. Антонова-Овсеенко открылось в 22 часа 40 минут. На нем Владимир Александрович заявил, что виновным он себя не признает, свои показания, данные на предварительном следствии, не подтверждает и дал их ложно. Шпионажем он не занимался и троцкистом никогда не был. Он был только примиренцем. О своих ложных показаниях на предварительном следствии он подавал заявление, но ответа на него не получил. В последнем слове он просил дополнительно сделать расследование, так как он оговорил себя.
Однако это заявление никак не повлияло на приговор суда, который был кратким и предельно жестоким — расстрел с конфискацией имущества. Судебное заседание закрылось через 20 минут, в 23 часа. Приговор привели в исполнение 10 февраля 1938 года.
После гибели Владимира Александровича и Софьи Ивановны репрессии обрушились и на их детей, высланных из Москвы в административном порядке.
В первые годы «оттепели» родственники В. А. и С. И. Антоновых-Овсеенко обратились в Генеральную прокуратуру СССР с просьбой о пересмотре их дел. В Главной военной прокуратуре изучением их занялся подполковник юстиции Ф. Р. Борисов. Он подготовил аргументированные заключения о прекращении дел В. А. Антонова-Овсеенко и С. И. Антоновой-Овсеенко за отсутствием в их действиях состава преступления. С этими заключениями согласился Генеральный прокурор СССР.
