Пленум ЦК, хоть и с запозданием, но состоялся, и на нем была создана особая комиссия. Члены комиссии открыто проголосовали за физическое уничтожение Бухарина и Рыкова. При выходе из зала заседания Бухарин и Рыков были арестованы. Это произошло 27 февраля. Затем они целый год провели в тюрьме, находясь под следствием.
2 марта 1938 года начался третий большой политический процесс. На скамье подсудимых рядом с Н. И. Бухариным находились А. И. Рыков, который был преемником Ленина на посту Председателя Совета Народных Комиссаров; Г. Г. Ягода, бывший нарком внутренних дел, организатор процесса над Зиновьевым и Каменевым; Н. Н. Крестинский, входивший в состав первого Политбюро и в состав Секретариата ЦК партии, первый заместитель наркома иностранных дел; легендарный большевик X. Г. Раковский, бывший член ЦК и бывший председатель Совнаркома Украины; А. П. Розенгольц, кандидат в члены ЦК, начальник управления Наркомата внешней торговли; В. И. Иванов, член ЦК, нарком лесного хозяйства; Г. Ф. Гринько, кандидат в члены ЦК, нарком финансов; М. А. Чернов, член ЦК, нарком земледелия; И. А. Зеленский, член ЦК, бывший первый секретарь МК РКП(б), председатель Центросоюза; В. Ф. Шарангович, первый секретарь ЦК КП(б) Белоруссии; А. Икрамов, член ЦК, первый секретарь ЦК КП(б) Узбекистана; Ф. Ходжаев, председатель Совнаркома Узбекской ССР; С. А. Бессонов, советник полпредства СССР в Германии; П. Т. Зубарев, заместитель наркома земледелия; доктор Л. Г. Левин, бывший личный врач Горького; профессор, медик Д. Д. Плетнев; П. П. Крючков, бывший секретарь Горького; П. П. Буланов, секретарь НКВД; врач И. Н. Казаков; В. А. Максимов-Диковский, бывший секретарь Куйбышева.
Открытое заседание Военной коллегии Верховного суда проходило в Октябрьском зале Дома союзов. Председателем суда был В. В. Ульрих, прокурором А. Я. Вышинский.
Согласно обвинению, подсудимые организовали контрреволюционную заговорщическую группу под названием «правотроцкистский блок», целью которой было свержение существующего в СССР социалистического общественного строя, реставрация капитализма, расчленение Советского Союза, отрыв от него Украины, Средней Азии, Белоруссии, Грузии, Азербайджана, Армении и Приморского края. По прямым указаниям Троцкого они пытались претворить в жизнь свои планы, осуществляя террористические акции, опираясь на поддержку иностранных — германской, японской, английской и польской — разведок. Обвинительное заключение указывает, что некоторые обвиняемые до 1917 года были агентами царской охранки, они «осуществляли вредительские и диверсионные акты в целях обеспечения поражения СССР в предстоящем нападении на СССР фашистских агрессоров», в случае войны готовились к открытию фронтов. В 1918 году Бухарин вместе с Троцким и с помощью левых эсеров планировал арест и убийство Ленина, Свердлова и Сталина. По решению правых был убит Киров, они же дали указание об убийстве Куйбышева, Менжинского и Горького.
В ходе процесса обвиняемые хотя бы частично признали свою виновность. Не так поступил Николай Крестинский. В первый день суда неожиданно для всех, впервые в истории процессов он отказался от своих показаний, данных в ходе допросов, и отклонил все пункты обвинения. Он сказал, что ранее утверждал противоположное, потому что не был убежден в том, что до начала суда, если вообще таковой состоится, у него будет возможность опровергнуть клевету против него. «Зачем вам нужно было вводить меня в заблуждение?» — спросил Вышинский. «Я просто считал, — ответил Крестинский, — что если я расскажу то, что я сегодня говорю, что это не соответствует действительности, то это мое заявление не дойдет до руководителей партии и правительства». Однако на другой день отрицавший все накануне Крестинский признал все инкриминируемые ему обвинения. Некоторые исследователи считают, что Крестинского заменили загримированным артистом.
На первый взгляд ответы, которые давал Бухарин, казались однозначными. Он в принципе признал, что относился к правой троцкистской контрреволюционной организации, но отрицал, что якобы проводил шпионскую деятельность и категорически отклонил обвинение в подготовке террористических акций против Ленина, Куйбышева, Кирова и других. Он твердо заявил: «Признания обвиняемых необязательны. Признания обвиняемых есть средневековый юридический принцип». А в этих процессах основой было признание обвиняемых. Советские газеты той поры о методе защиты, который использовал Бухарин, писали, что «он вообще признает себя виновным, но конкретные обвинения упрямо отвергает».
В первой половине дня 11 марта 1938 года Вышинский произнес обвинительную речь. Он потребовал смертного приговора Бухарину и большинству обвиняемых. Произнося последнее слово на суде, Бухарин придерживался своей прежней тактики. Он признал, что был руководителем правых и троцкистов, но вновь отрицал, что давал указание на осуществление акций саботажа и что в случае войны готовился к открытию фронта. Категорически отверг, что имел какое-либо отношение к смерти Кирова, Куйбышева, Менжинского и Горького.