При голосовании резолюции Пленума предложение Ежова исключить Бухарина и Рыкова из партии, предать суду Военного трибунала с применением высшей меры наказания — расстрела не прошло, хотя его и поддержали Буденный, Мануильский, Шверник, Косарев и Якир. Предложение Постышева — предать суду без применения расстрела — поддержали Шкирятов, Антипов, Хрущев, Николаева, Косиор, Петровский и Литвинов. Но Сталин предложил ловкий и тонкий ход: «Суду не предавать, а направить дело Бухарина и Рыкова в НКВД», якобы для дополнительного расследования. Этот вариант поддержали все члены комиссии, избранной Пленумом для выработки проекта резолюции. Тут же, на Пленуме, оба они были арестованы.
С 22 по 29 июня 1937 г. заседает очередной Пленум ЦК партии. На Пленуме снова выступал Ежов. Текст доклада, насколько известно, до сих пор не найден. Сохранились в архиве ФСБ несколько листочков его тезисов. В тезисах перечислялись вражеские заговоры, раскрытые НКВД за последние месяцы. Он связал все эти «заговоры» в один узел неким «центром центров», в который будто бы входили Рыков, Томский, Бухарин, Каменев, Зиновьев, Сокольников, Пятаков, Енукидзе. Главная задача этого вселенского заговора — объединение всех антисоветских сил, «от бывших оппозиционеров до белогвардейцев, включая эсеров и меньшевиков», с целью свержения советской власти. Дальше идет перечень обвинений, который ляжет в основу всех приговоров в ближайшее время: план «дворцового переворота» — физического устранения Сталина и его приближенных. Подготовка военного восстания, которое должно победить при поддержке интервентов из-за границы. В случае войны — подготовка поражения в ней и приход к власти благодаря политическим и территориальным уступкам победителю. Связь с Японией, Германией и Польшей. «Центр центров» ставит все объединенные им оппозиционные группы на службу фашистским разведкам. Готовит диверсантов на случай войны. Организует кадры повстанцев из партизан Гражданской войны, белого казачества, кулаков, спецпереселенцев, уголовников, «бывших» и многих других.
Председательствующий на суде «центра центров» Вышинский потребовал расстрела всех обвиняемых участников заговора: Сокольникова, Смиглу, Рыкова, Бухарина, Томского, Радека, Угланова, Пятакова, Серебрякова, Мдивани, Окуджаву, Смирнова, комкора Примакова, комдива Шмидта.
В ночь с 23 на 24 августа 1937 г. в два часа тридцать минут суд объявил приговор: всем подсудимым смертную казнь через расстрел. По закону осужденные имели 72 часа для подачи жалобы о помиловании. Однако уже утром 24 августа всех осужденных вывели на расстрел. Бывших членов ленинского политбюро, бывших личных друзей Ленина изобразили как бандитов и убийц.
Дочь Смирнова Ольга и жена Роза были тут же арестованы и расстреляны в 1937 г. В том же году были расстреляны сын Зиновьева — Степан Радомысльский, жена Бакаева — Анна Петровна Костина, член партии с 1917 г., брат и племянник Мрачковского, брат Тер-Ваганяна.
Вскоре после расстрела Каменева были расстреляны его первая и вторая жены. Младший сын Каменева Юрий был расстрелян 30 января 1938 г., не дожив одного месяца до 17 лет. В 1939 г. расстреляли старшего сына Александра.
30 июля 1937 г. членам Политбюро был разослан для голосования проект оперативного приказа НКВД № 00447 «Об операции по репрессированию бывших кулаков, уголовников и других антисоветских элементов». В приказе и в сопутствующих постановлениях уже более детально разработано, как осуществлять эту операцию: когда ее начинать, как она должна проходить, кто входит в состав троек, каковы лимиты на аресты и расстрелы, сколько денег выделить на оперативные расходы, на транспорт, на строительство новых лагерей, каких и где нужно построить, сколько нужно прислать из запаса командного состава врачей и фельдшеров в лагеря. 31 июля Политбюро приказ утверждает. С 5 августа разворачивается гигантский масштаб репрессий по всей стране. Пытки летом 1937 г. были официально санкционированы и даже рекомендованы как метод ведения следствия. Подтверждение тому — телеграмма за подписью Сталина, разосланная в январе 1939 г. всем региональным руководителям ВКП(б) и НКВД. В ней прямо сказано: «ЦК ВКП(б) разъясняет, что применение физического воздействия в практике НКВД было допущено с 1937 года с разрешения ЦК ВКП(б)».
В течение 1937–1938 гг. по политическим обвинениям по всей территории страны было арестовано более 3 778 234 человек, а вместе с жертвами депортаций и осужденными «социально вредными элементами» число репрессированных переваливает за 4 миллиона. В процессе репрессий более 786 тысяч арестованных были казнены. Больше всего расстрелянных было в Оренбургской области — более 96% осужденных, в Краснодарском крае и Новороссийской области — более 94%, в Куйбышевской и Волгоградской областях расстреляли более половины, а в Армении и Грузии — меньше трети.