Але втікати письменник нікуди не збирався. Через два дні, 8 грудня 1934 року, Валеріана Підмогильного заарештували. Інкримінували "участь у роботі терористичної організації, що ставила собі за мету організацію терору проти керівників партії". Слідство в Харкові й Києві велося в справі контрреволюційної боротьбистської організації, до якої, крім Підмогильного, були зараховані Є. Плужник, М. Куліш, В. Вражливий, В. Поліщук, Г. Епік, М. Любченко (Кость Котко), О. Ковінько, Г. Майфет — загалом 18 людей. На всіх допитах Підмогильний відповідав слідчим: "Винним себе не визнаю". Коли тиск посилився, написав офіційну заяву слідчому Блоку, в якій зазначив: "Беручи до уваги, що за Вашою заявою матеріал у моїй справі достатній для віддання мене до суду…, я даю таке сумарне зізнання:
1. Ніколи ні до якої терористичної організації я не належав і не належу. 2. Ніколи ніякої терористичної діяльності я не проводив. 3. Про існування подібних організацій, про їхню діяльність або діяльність осіб, зв'язаних з ними, я ніколи нічого не знав, інакше як з виступів представників Радвлади й партії в пресі й на прилюдних зборах. 4. Тому всякі зізнання інших осіб та обвинувачення мене в приналежності до терористичної організації і в терористичній діяльності я рішуче відкидаю як брехливі й наклепницькі".
Слідчий тричі просив розпорядження продовжити слідство, поки врешті в протоколі від 11 січня 1935 року з'явився запис буцім зі слів Підмогильного: "Останнім часом я належав до групи письменників-націоналістів з терористичними настроями у ставленні до вождів партії". А після перевезення до Київського спецкорпусу НКВД на допиті 19 січня 1935 року прокуророві Українського військового округу сказав: "Я не належав до організації. Я вважав, що постанови партії по національному питанню в життя не проводяться… Для мене представниками партії в літературі були Хвильовий, Яловий, Шумський". За вироком виїзної сесії Військової колегії Верховного Суду СРСР 27-28 березня 1935 року був засуджений на десять років позбавлення волі й відправлений до Соловецького табору особливого призначення.
В умовах табору особливого призначення письменник змушував себе творчо працювати. Спочатку він береться за переклади, а потім і за оригінальне письмо. У його листах до близьких згадується невелика повість про життя одного будинку, потім оповідання, а з весни 1936 року — постійні згадки про роман "Осінь 1929", в якому йшлося про початок колективізації в Україні. 25 листів написаних до дружини, матері й сестри дивом уціліли. Ці потерті часом аркуші, то волають відчаєм невідомості про долю родини, що, можливо, розплачується за його "злочинну діяльність"
("Рідна Катю, листів, до цього часу немає ні від тебе, ні від мами. Чекаю кожного дня, встаю з надією, лягаю з новою надією, що лист прийде завтра. Повинен же він коли-небудь прийти!?"),
то сповнені намагання заспокоїти себе, рідних, а найбільше недремне цензурне око неймовірним благополуччям самотнього ув'язнення
("Камера у мене простора. До і після обіду маю годину прогулянки. Харчування і чистота не залишають бажати чогось ліпшого"),
то вражають готовністю порятувати дружину й семилітнього сина шляхом відречення від зв'язків з ним, "ворогом народу",
("Влаштовуйся серйозно, міцно і головне — не почувай себе зв'язаною зі мною. У тебе є дитина, а я — минуле. В попередньому листі я послав записку Ромі — шкодую про це тепер. Не треба йому нагадувати про мене, він ще малий, швидко забуде, і це добре").
3 листопада 1937 року, до двадцятилітнього ювілею Жовтневої революції, Валеріана Підмогильного, згідно з постановою Особливої трійки УНКВД Ленінградської області було розстріляно разом із великою групою української інтелігенції, в лісі під Сандармохом (Карелія).
Твори: Місто. Роман, оповідання (К., 1989).