ใน ค.ศ. 1935 ตูฮาเชฟสกีได้รับเลื่อนยศเป็นจอมพลแห่งสหภาพโซเวียต ตอนที่เขาอายุ 42 ปี และในเดือนมกราคม ค.ศ. 1936 ตูฮาเชฟสกีได้มีโอกาสเยือนสหราชอาณาจักร, ฝรั่งเศส และเยอรมนี

ก่อนถูกจับ ตูฮาเชฟสกีถูกปลดออกจากหน้าที่ในฐานะผู้ช่วยแม่ทัพคลีเมนต์ โวโรชีลอฟ และได้รับแต่งตั้งให้เป็นผู้บัญชาการมณฑลทหารโวลกา[27] ไม่นานหลังคำสั่งใหม่ตูฮาเชฟสกีถูกจับกุมอย่างลับ ๆ เมื่อวันที่ 22 พฤษภาคม ค.ศ. 1937 และนำกลับไปยังกรุงมอสโกในรถตู้เรือนจำ[28]

การสอบปากคำและทรมานตูฮาเชฟสกี ได้รับการกำกับดูแลโดยตรงโดยหัวหน้า NKVD นีโคไล เยจอฟ โดยสตาลินสั่งเยจอฟว่า "เห็นด้วยตัวคุณเอง แต่ต้องบังคับตูฮาเชฟสกีให้บอกทุกอย่าง ... มันเป็นไปไม่ได้ที่เขาจะลงมือคนเดียว"[18]

มอนเตฟิโออร์ กล่าวว่า ไม่กี่วันต่อมาขณะที่เยจอฟพึมพำออกมาจากห้องทำงานของสตาลิน ตูฮาเชฟสกีก็รับสารภาพว่า อะเวล เยนูคีดเซที่สมัครเป็นนายทหารใน ค.ศ. 1928 เป็นสายลับจากเยอรมนีซึ่งร่วมมือกับนีโคไล บูคารินเพื่อโค่นอำนาจของสตาลิน เอกสารสีน้ำตาลซึ่งเป็นคำสารภาพของตูฮาเชฟสกีตอนที่ยังมีชีวิตอยู่ที่พบในภายหลังพบว่ามีรอยเลือดติดอยู่[29]

สตาลินให้ความเห็นว่า "เป็นเรื่องเหลือเชื่อ แต่ก็เป็นความจริงที่พวกเขายอมรับ"[29]

วันที่ 11 มิถุนายน ค.ศ. 1937 ศาลสูงสุดโซเวียตเรียกประชุมคณะตุลาการทหารพิเศษเพื่อพิจารณาตูฮาเชฟสกีและนายพลแปดคนในข้อหากบฏ การพิจารณาดังกล่าวได้ชื่อว่า คดีองค์การทหารทรอตสกีอิสต์ต่อต้านโซเวียต เมื่อตูฮาเชฟสกีฟังข้อกล่าวหาแล้ว มีผู้ได้ยินเขากล่าวว่า "รู้สึกเหมือนฝันไป"[30] ตุลาการส่วนใหญ่ก็รู้สึกตระหนก มีผู้ได้ยินตุลาการคนหนึ่งออกความเห็นว่า "พรุ่งนี้ ผมคงโดนจับไปอยู่ที่เดียวกันนั้น"[30] (นายทหารแปดคนที่เป็นตุลาการในองค์คณะดังกล่าว มีห้าคนโดนประหารในภายหลัง) มีการอธิบายให้ผู้ถูกกล่าวหาฟังว่า การพิจารณาคดีเป็นไปตามกฎหมายฉบับวันที่ 1 ตุลาคม ค.ศ. 1934 จึงห้ามทนายจำเลยเข้าห้องพิจารณา และห้ามอุทธรณ์คำตัดสิน[31]

เวลา 23:35 น. ของวันนั้น จำเลยทั้งหมดถูกตัดสินว่ามีความผิดและให้ประหารชีวิต สตาลิน ซึ่งรอฟังคำตัดสินพร้อมกับโมโลตอฟ คากาโนวิช และเยจอฟ กล่าวเพียงว่า "อนุมัติ" แม้ยังไม่ได้ดูบันทึกคำตัดสิน[30]

ภายในชั่วโมงนั้น ร้อยเอก วาซีลี โบลฮิน หัวหน้าหน่วย NKVD เรียกตูฮาเชฟสกีออกจากห้องขัง แล้วอดีตจอมพลผู้นี้ก็ถูกประหารด้วยการยิงนัดเดียวเข้าที่หลังศีรษะ โดยมีเยจอฟเป็นสักขีพยาน[32]

ทันทีหลังจากนั้นเยจอฟถูกสตาลินเรียกไปเข้าพบ สตาลินถามเยจอฟว่า "คำพูดสุดท้ายของตูฮาเชฟสกีคืออะไร"[30] เยจอฟตอบสตาลินว่า "เจ้างูบอกว่า เขาได้อุทิศตนเพื่อแผ่นดิน และ สหายสตาลิน เขาขอให้อภัยเขา แต่เห็นได้ชัดว่าเขาไม่ได้เป็นคนตรงไปตรงมา เขาไม่ยอมวางมือ"[30]

มอนเตฟิโออร์กล่าวว่า สตาลินทราบมาตลอดว่ากองทัพแดงเป็นสถาบันเดียวที่สามารถต่อต้านการแสวงอำนาจเด็ดขาดของเขาได้ ความหวาดระแวงของสตาลินเกี่ยวกับการโค่นล้มภายในและความเชื่อมั่นในความสามารถไม่มีข้อผิดพลาดในการตรวจจับผู้ทรยศของเขาก็ทำให้มันเกิดขึ้น สตาลิน เยจอฟ และโวโรชีลอฟจัดการจับกุมและประหารชีวิตนายทหารโซเวียตหลายพันคนหลังตูฮาเชฟสกีถูกยิง ในที่สุด ห้าจากแปดนายพลที่เฝ้าดู "การพิจารณาคดีตูฮาเชฟสกี " ถูก NKVD จับกุมและยิงเช่นกัน[33]