Возможно, Рэли серьезно думал расстаться с жизнью и тем сохранить для семьи свое имущество, которое в случае его казни было бы конфисковано. Весьма вероятно также, что этим актом Рэли хотел привлечь к себе внимание общества. Но если это было так, то он ничего не добился. Сесл постарался, чтобы попытка самоубийства Рэли не получила огласки. Правда, слухи все-таки распространились. Например, венецианский посол Скарамелли сообщил об этом своему правительству. Но на последовавшем разбирательстве дела Рэли ни словом не упоминалось о попытке самоубийства.
Начало процесса все время откладывалось. Прошло лето, наступила осень. Наконец 17 ноября его доставили в суд. Рэли был обвинен в государственной измене, и эти обвинения суд признал доказанными. Приговор был максимально жестоким. «Поскольку вы признаны виновным в ужасной измене, — говорилось в приговоре, — вас доставят обратно в тюрьму, где вы будете находиться до дня казни. Оттуда вас повезут на повозке по улицам к месту казни, где повесят, но еще живым вынут из петли, обнажат тело, вырвут сердце, кишки и половые органы и сожгут их на огне на ваших глазах. Затем вашу голову отделят от тела, которое расчленят на четыре части, чтобы доставить удовольствие королю. Да простит бог вашу душу».
Выслушав приговор, Рэли обратился к графу Девонширскому и другим лордам, судившим его, с просьбой ходатайствовать перед королем о более почетной казни. Те обещали, и Рэли был отправлен обратно в тюрьму. Но неожиданно король принял решение повременить с казнью Рэли. Вряд ли он внял просьбам некоторых высокопоставленных особ (за Рэли ходатайствовала, например, королева Анна) или поверил в невиновность Рэли (многие члены суда сомневались в правильности приговора; один из них, Фрэнсис Годи, сказал через два года на смертном одре, что «никогда еще английское правосудие не было так несправедливо, как в обвинении сэра Уолтера Рэли»). По всей вероятности, Яков решил помучить Рэли, поиграть с ним в «кошки-мышки».
Король не спешил выказать свою милость. Рэли сообщили об отсрочке казни 16 декабря 1603 г., когда переводили в другое помещение в Тауэре, где он пробыл 13 лет.
Рэли находился в Тауэре по-прежнему в приличных условиях, занимая две комнаты. С ним были его жена и двое слуг. Рэли свободно прогуливался в небольшом внутреннем садике. У него было помещение, где он производил разнообразные физические и химические опыты. Вообще неугомонный Рэли вел весьма активную жизнь. Он писал письма государственным деятелям Англии и других стран, встречался с многочисленными посетителями, разрабатывал всевозможные проекты, в том числе проект создания постоянных колоний в Северной Америке, выращивал различные целебные травы и приготовлял из них лекарства, исследовал металлы, пользуясь небольшой плавильней, искал способы получения пресной воды из соленой, сохранения мяса во время длительных морских путешествий, приготовлял свой собственный табак, различные настойки, причем одна из них, «Великая радость», получила широкую известность не только в Англии, но и за ее пределами.
Несмотря на заключение Рэли, английское общество продолжало интересоваться им. Он вызывал удивление своей необыкновенной стойкостью (граф Нортгемптон, посетивший Рэли в июле 1611 г., сказал, что не нашел в нем никаких перемен), о нем сплетничали, спорили, но — что было неприятно и просто очень опасно для него — продолжали называть в числе участников вновь открываемых заговоров, а это вело к новым разбирательствам.
В годы заключения Рэли встретил живое участие не только королевы Анны, но и ее сына, наследника английского престола принца Генриха, который проникся к нему глубоким уважением. Принцу было 13 лет, когда он впервые увидел Рэли в Тауэре в 1607 г. Рэли очень понравился молодой принц, и он старался развивать его ум, расширять знания, желая привить Генриху любовь к кораблестроению и мореплаванию. Рэли написал для него «Трактат о кораблях» и «Обзор королевского военно-морского флота и морской службы». Результатом было то, что принц пригласил лучшего судостроителя тех дней Петта для постройки корабля «Принц Ройял», спущенного на воду через два года.
Генрих обращался к Рэли за советами по самым важнейшим делам. Так, когда герцог Савойский предложил Якову I выдать дочь, принцессу Елизавету, замуж за его второго сына, а наследного принца женить на его старшей дочери, Генрих просил Рэли высказать свое мнение на этот счет.