Зафиксировать в полном виде признания Майрановского было чересчур рискованно, поскольку он ссылался на указания высших инстанций и полученные им государственные награды. Поэтому его дело рассматривалось Особым совещанием при министре госбезопасности. Его приговорили к десяти годам лишения свободы за незаконное хранение ядов и злоупотребление служебным положением. Срок наказания он отбывал во Владимирской тюрьме (в прошлом Тюрьма № 2 НКВД-НКГБ-МГБ). По иронии судьбы в той же тюрьме содержался и нацистский «коллега» Майрановского, один из самых страшных врачей-экспериментаторов Освенцима Карл Клауберг. Вместе с другими военнопленными он был освобожден в 1955 г., вернулся в Германию, где открыл собственную врачебную практику. Он не только не скрывал своего участия в «медицинских» экспериментах по стерилизации женщин в Освенциме, но даже широко рекламировал их. Он был вновь арестован и в 1957 г. умер в Киевской тюрьме, ожидая нового процесса.
Интересное свидетельство о пребывании Майрановского во Владимирской тюрьме приводит член Международной комиссии по расследованию судьбы Валленберга В. Бирштейн. Бывший врач тюрьмы Елена Бутова рассказала членам комиссии о поразившем ее случае, когда она попыталась сделать инъекцию одному из заболевших заключенных. Увидев женщину в белом халате со шприцем в руках, Майрановский закричал: «Не подходите ко мне! Вы хотите меня убить! Я знаю, как это делается!» (191). Находясь в тюрьме, Майрановский боролся за свое освобождение и написал несколько писем на имя министра государственной безопасности С.Д. Игнатьева, а позднее — Берии. В феврале 1953 г. он писал Берии: «Я обращаюсь к Вашему великодушию: простите совершенные мною преступные ошибки. У меня есть предложения по использованию некоторых новых веществ: как снотворного, так и смертельного действия; в осуществление этой вполне правильной Вашей установки, данной мне, что наша техника применения наших средств в пищевых продуктах и напитках устарела и что необходимо искать новые пути воздействия через вдыхаемый воздух. Мы яды давали через пищу, различные напитки, вводили яды при помощи уколов шприцем, тростью, ручкой и других колющих, специально оборудованных предметов. Также вводили яды через кожу, обрызгивая и поливая ее». В письме из Владимирской тюрьмы в апреле 1953-го он писал: «Моей рукой был уничтожен не один десяток заклятых врагов Советской власти, в том числе националистов всяческого рода (и еврейских) — об этом известно генерал-лейтенанту Судоплатову» — и заверял Берию: готов выполнить «все Ваши задания на благо нашей могучей Родины». Между тем Берия в процессе следствия пытался всячески умалить свою роль в организации и функционировании «лаборатории Икс». Меркулов, будучи арестованным, на допросе признал, что лично давал разрешение Майрановскому на применение ядов к 30—40 осужденным, пояснив, что никто, кроме него и Берии, не мог давать таких разрешений.
На допросе 27 августа 1953-го Майрановский показал, что участвовал в операциях по устранению людей в ходе тайных встреч на конспиративных квартирах. Задания получал через Судоплатова. Обсуждение предстоящих акций проходило у Берии или Меркулова и во всех случаях в обсуждении принимал участие Судоплатов, а иногда Эйтингон и Филимонов. Как пояснил Майрановский, «мне никогда не говорилось, за что то, или иное лицо должно быть умерщвлено, и даже не назывались фамилии». Майрановскому организовывали встречу с потенциальной жертвой на конспиративной квартире, и во время еды и выпивки, как он пояснил, «мною подмешивались яды», а иногда предварительно «одурманенное лицо» убивал посредством инъекции. Как сообщил Майрановский, «это несколько десятков человек». Ряд преступных эпизодов так и не был расследован.
Как пояснил на следствии Майрановский, помимо руководителей НКВД об опытах на людях знали и подчиненные коменданту Лубянки Блохину сотрудники комендатуры: братья Василий и Иван Шигалевы, Демьян Семенихин, Иван Фельдман, Иван Антонов, Василий Бодунов, Александр Дмитриев, которые обычно производили расстрелы. При передаче приговоренных в лабораторию Майрановского они были избавлены от необходимости выполнять свои палаческие обязанности.
Комендант Василий Блохин на допросе 19 сентября 1953 г. показал: «При умерщвлении доставленных арестованных путем введения различных ядов присутствовал я, а чаще дежурные, но во всех случаях, когда умерщвление уже было произведено, я приходил в помещение Майрановского для того, чтобы закончить всю операцию». Блохин пояснил, что умерщвление таким способом приговоренных шло с конца 1938 по 1947 г. Больше всего было убито в 1939—1940 гг. — около 40 человек. С началом войны это прекратилось, и с 1943-го, когда опыты на людях возобновились, было умерщвлено около 30 человек.