І от 6-го серпня 1940 року, під час експедиції в Західну Україну, Вавілова заарештували. Під час цієї поїздки, що він робив разом зі своїм учнем Ф. Х. Бахтеевим, Вавілов одержав цікаві результати, але свої нові знахідки йому вже не удалося опублікувати. Історія загибелі Вавілова - одна з найтрагічніших історій миноголо століття.

Допит Вавілова почався ранком 12 серпня 1940 року в Москві у внутрішній в'язниці НКВД.

У перші дні допиту Вавілов тримався дуже твердо і рішуче заперечував, висунуті проти нього абсурдні обвинувачення. Але слідчий - інквізитор бериевской виучки - умів "розколювати" і таких мужніх, твердих і вольових людей як Вавілов, і 24-го серпня домагається "визнання". Більш того, старшому лейтенанту А. Г. Хвату вдається змусити Вавілова написати на дванадцятьох сторінках зовсім фантастична заява, озаглавлена "шкідництво в системі рослинництва, мною керованого з 1920 року до арешту (6.VIII. 1940 року)". Написати таке Вавілова змусили, звичайно ж, катування, приниження і безсонні ночі. Було ясно, що упорствовать і спростовувати наклеп зовсім даремно, пручатися безглуздо. Цілком спростовував Вавілов тільки обвинувачення в шпигунстві. Але шпигунство, як, утім, і в багато чого іншого не вірили його кати.

Після того як Вавілов "визнав" себе "шкідником і ворогом народу", до березня 1941 року його більше не викликають на допити, і, сидячи в одиночній камері він міг віддатися своїм думкам. Але Вавілов усе ще залишався Вавілов. Він не міг не діяти: пише давно задуману книгу про історію світового землеробства. Під рукою він не мав нічого, крім олівця і папера, але зате мав воістину безмежні знання. Це був останній подвиг великого вченого.
У березні 1941 року знову починаються допитІ. До цього часу він був переведений у 27-ю камеру Бутирської в'язниці, у якій уже сиділи близько 200 чоловік. Щоночі Вавілова вели на допит, а на світанку, знесиленого, волокли назад і кидали прямо в порога камерІ. Після цих нових допитів, під час яких А. Г. Хват усіляко принижував і ображав Вавілова, він сильно змінився, майже не розмовляв, замкнувся в собі. Незабаром Вавілова перевели у внутрішню в'язницю НКВД, а 9-го липня 1941 року відбулася комедія суду над "троцькістом і монархістом".

Перед судом слідчий організував експертизу наукової діяльності Вавілова. Організована Хватом "експертна комісія" складалася з явних супротивників і особистих ворогів Вавілова. Хват уміло підібрав експертів, і коли він послав список президенту ВАСХНИЛ, щоб той міг "познайомитися зі списком комісії і висловитися по його складу", те президент написав на полях: "Згодний, Лисенко". Склад експертної комісії його цілком улаштовував. На закритому засіданні військової колегії Верховного суду СРСР, що відбувалося 9-го липня 1941 року і продовжувалося лише кілька хвилин, Вавілову виносять вирок - вища міра покарання, розстріл. У помилуванні Вавілову було відмовлено, і він був переведений у бутирську в'язницю для приведення вироку у виконання.

Але Вавілова не розстріляли в Бутирській в'язниці. Розстріл був відстрочений на півтора року. Фактично миттєва смерть була замінена повільною болісною смертю.

2-го жовтня 1941 року Вавілов був переведений з Бутирської в'язниці у внутрішню в'язницю НКВД, а 15-го жовтня йому було заявлено, що він одержить повну можливість наукової праці як академік і що це буде з'ясовано остаточно протягом двох-трьох днів. Очевидно, мова йшла про його роботу в одному з тюремних інститутів. 8-го серпня 1941 року Вавілов звертається до Берии з проханням дати йому можливість закінчити протягом напівроку складання "Практичного посібника для виведення сортів культурних рослин, стійких до найголовніших захворювань", а протягом 6 - 8 місяців закінчити при напруженій роботі складання "Практичного посібника із селекції хлібних злаків" стосовно до різних умов СРСР. Але він так і не одержує відповіді з НКВД. 29-го жовтня 1941 року Вавілова на потязі привозять у Саратов. Вавілов попадає в корпус, де містили найбільш великих суспільних і політичних діячів. Тут з ним разом виявилися редактор "Звісток" Ю. М. Стеклов, філософ, історик і літературознавець, директор Інституту світової літератури Академії наук СРСР академік І. К. Луппол і інші великі діячі. Спочатку Вавілов сидів в одинаку, а потім він потрапив у камеру, де його сусідами виявилися І. К. Луппол і інженер І. Ф. Філатов. Незважаючи на здоров'я, що погіршується, Вавілов не падає духом і підбадьорює товаришів. Вавілов тримався дуже непохитно, був бадьорий і прочитав у камері 101 година лекцій по біології, генетиці, рослинництву. Він був набудований оптимістично, багато розповідав про подорожі. Винуватцем свого арешту він називав Лисенко.

У камері смертників Вавілов пробув у цілому біля року. За цей час арештантів жодного разу не вивели на прогулянку. Їм було заборонено листуватися з рідними, одержувати передачі. Їх не випускали в лазню і навіть не давали мило для умивання в камері. До весни 1942 року стан Вавілова погіршилося, і він важко занедужав цингою. 25-го квітня 1942 року Вавілов пише несамовитий лист Берии, у якому благання про повернення до праці. "Прошу і благаю Вас про зм'якшення моєї долі, про з'ясування моєї подальшої долі, про надання роботи з моєї спеціальності, хоча б у скромнейшем виді...". Вавілов просить також дозволу побачитися з чи родиною хоча