Осенью 1618 г. Ванини был арестован. Это произошло в Тулузе на улице Жипонье, расположенной недалеко от Гаронны. При аресте среди его вещей был обнаружен хрустальный сосуд с большой живой жабой, что давало возможность обвинить его в колдовстве. Ванини потом объяснял судьям, что он таким образом приготовлял лекарство от одной болезни. Следствие вел президент тулузского парламента Грамон. Его роль в деле Ванини определил итальянский историк Рафаеле Палумбо: «Грамон — это палач, который осудил Ванини на основании клеветы», а до этого сделал все возможное для оправдания и обоснования ареста Ванини. Можно полагать, что он был главной фигурой, которой католические верхи доверили и поручили организацию суда и казни Ванини. Следствие велось долго, допрос шел за допросом, проводились очные ставки с Франконом, но Ванини упорно отрицал все обвинения. Он чувствовал себя сильнее своих судей и обвинителей и полагал, что его знания и ораторское искусство дадут ему возможность и на этот раз отвести от себя обвинения и продолжать борьбу. Придерживаясь своей тактики маскировки, он принял твердое решение сопротивляться до последней возможности и только убедившись, что все средства исчерпаны, выступить открыто и не просить милости.
Ведение дела Ванини взял на себя Катель, советник тулузского парламента. Он был одной из самых мрачных фигур католического судилища, ярым сторонником осуждения Ванини, в то время как некоторые члены суда, очевидно в меньшей степени связанные с католическими властями, предлагали ограничиться изгнанием его из Франции. Ванини держался спокойно и твердо, как в тюрьме, так и на допросах. Когда Ванини приводили из тюрьмы на допрос, его наружность обращала на себя внимание: худой, высокий мужчина, с головой мыслителя, с блестящими глазами и пылкой речью. На допросах говорилось, что кроме открытых выступлений Ванини его ближайшим ученикам были известны тайные лекции, которые он читал дважды в неделю. Грамон говорит, что «среди самой юной части молодежи, падкой на новые идеи, он излагал свои мысли о невозможности воплощения бога, все приписывал случаю, поклонялся природе». На этих лекциях он насмехался над католицизмом, приводил доводы атеистов и, как отмечал в своих мемуарах Маланфан, «слабо им возражал». Это свидетельство подтверждает, что и в своей устной пропаганде Джулио Ванини использовал метод дискуссии, примененный им в «Амфитеатре» и «Диалогах».
Современный событиям источник так рассказывает, за что судили Джулио Ванини: «В ноябре месяце прошлого (1618) года был арестован и заключен в городскую тюрьму Тулузы некий итальянец, философ и очень ученый человек, который преподавал на дому детям и юношам из хороших семей, стремившимся в совершенстве овладеть философией. Он придерживался мнения и обучал, что наши тела не имеют души и что умирая каждый из нас становится мертвым, как и грубые животные; что дева Мария (о, отвратительное богохульство!) знала телесную близость, как и другие женщины, и произносил другие более постыдные, недостойные ни написания, ни произношения слова. Своим красноречием он так настоятельно внедрял свое вредное мнение в сознание своих слушателей, что они начали колебаться в вере, принимая ее за ложное учение. Когда сведения об этом дошли до ведома парламента, последний вынес решение против этого нового магистра. Будучи схвачен и допрошен, он утверждал, что придерживался правильного учения»151. Следствие длилось несколько месяцев. Его обвиняли в пропаганде безверия, отвращении молодых душ от истинного бога, в безнравственности. Вапини обладал огромной силой логики и обширными философскими и богословскими знаниями; он мог доказать судьям, что проповедовал «истинного бога», доказать и по существу и по форме, хотя к процессу привлекались многие теологи, знаменитые проповедники, министры (главы) кальвинистских общин из Монпелье. Маскировочная одежда его лекций для молодежи и его доказательств па суде была ортодоксально-католической, как и в его книгах. Но на стороне суда была сила закона, которым в своей животной ненависти и в страхе перед всем новым и разумным пользовались католические мракобесы.