Дополнительной компрометацией Вавилова стали его положительные отзывы о Бухарине, с которым он побывал в 1931 году в Лондоне на конференции по истории науки; дружба с левым коммунистом Г. Мёллером; одобрительные оценки зарубежных выступлений Вавилова, поступавшие в Москву от советских полпредов и т. д. В 1920-х — начале 30-х гг. эти связи и похвалы содействовали повышению авторитета Вавилова в кругах тогдашней партийной элиты. С середины 1930-х гг. они стали дискредитирующими материалами.
Биографы Вавилова не раз задавались вопросом: почему, несмотря на критику в прессе, многочисленные показания о вредительстве и другой компромат на Вавилова, накопленный в НКВД, он не был арестован в 1937-38 гг.? Ответ иногда давался в том смысле, что "Сталин побоялся дать санкцию на арест всемирно известного учёного из-за возможных протестов международной демократической общественности". При ближайшем рассмотрении такой ответ не выдерживает никакой критики. Сталин не "побоялся" дать санкции на арест бывшего председателя Совнаркома (Рыкова), бывшего главы Коминтерна (Зиновьева), "любимца партии" (Бухарина) и многих других всемирно известных деятелей ― невзирая на самые отчаянные протесты "международной демократической общественности". Так, во время московских процессов видные политики, руководители Социнтерна, известные писатели (Ромен Роллан,) направляли Сталину письма с ходатайствами об освобождении или помиловании подсудимых. Один из лидеров меньшевиков Р. Абрамович называл процессы "сплетением лжи и клеветы, преступлением против всех законов пролетарской морали, сокрушительным ударом по всему мировому социализму"; секретарь Социнтерна Ф. Адлер говорил о "гнусностях, которые совершает утвердившаяся в Москве диктатура"; видный философ-эмигрант Г. Федотов писал, что "процессы наносят колоссальный ущерб не только большевистской партии, но и России <?!>" и так далее. Всё это никак не повлияло на судьбу соратников Ленина и их подельников. Более близким к истине является предположение, что Сталин учитывал, при оценке "дела Вавилова", международную обстановку. А именно: в 1937-38 гг. отношения Советского Союза с гитлеровской Германией были напряжёнными, и "англо-американские круги", связи с которыми инкриминировались Вавилову, могли стать, в случае военного конфликта, союзниками СССР. Положение Вавилова в этом смысле, с точки зрения сталинского руководства, было отчасти сходным с положением бывшего наркома иностранных дел М. М. Литвинова (Меер-Геноха Моисеевича Валлаха), об оппозиционных настроениях которого Сталин и Молотов хорошо знали, но никаких мер против него не предпринимали, имея в виду возможность его использования в дипломатических отношениях с "англо-американскими кругами". После августа 1939 года, когда межгосударственные отношения СССР и Германии нормализовались, Вавилов потерял свой относительный "иммунитет".
6 августа 1940 года Н. Вавилов, находившийся в командировке в Западной Украине, был арестован. Ему были предъявлены обвинения во вредительстве ― "подрыве и запутывании семенного и селекционного дела", "установках заниматься отвлечёнными, научно-теоретическими вопросами, заниматься изучением культур, не могущих быть применяемыми даже в ближайшее время в хозяйстве СССР", в организации "антисоветской группы", а также в шпионаже.
В течение двух недель после ареста Вавилов отрицал предъявленные ему обвинения. Положение изменилось, когда следователь зачитал Вавилову ряд показаний его друзей и коллег, подтверждавших версию следствия. После этого Вавилов на нескольких допросах дал показания, что его деятельность могла быть интерпретирована как вредительство ― сознательное нанесение ущерба экономике страны. Он также дал показания о якобы вредительской деятельности некоторых своих друзей и коллег по ВИРу (в том числе Г. Карпеченко и Л. Говорова), которые вскоре после этого были арестованы и репрессированы.
После почти годичного следствия, дело Вавилова было передано в суд. 9 июля 1941 года Военная коллегия Верховного суда СССР признала Вавилова виновным во всех предъявленных ему обвинениях. Ходатайство осуждённого о помиловании было отклонено, но приговор в действие не приведён. Через некоторое время, по распоряжению Берии, он был заменён на двадцатилетнее тюремное заключение. В Саратовской тюрьме Вавилов находился в одной камере с философом-марксистом Лупполом, чья стремительная карьера в 1920-х ― начале 30-х гг., равно как и судьба в последующее время, были до некоторой степени сходными с его собственными.