从此，李立三的行动开始受到苏联内务部人员的监视。就在王明、康生离开莫斯科后两个月，1938年2月23日李立三被逮捕入狱。
王明、康生复仇的愿望终于实现了。
苏联内务部强加在李立三头上“日本间谍”、“托洛茨基分子”、“恐怖集团首脑”一大串莫须有的罪名。罪名的全称是“以李立三为首的在莫斯科的中国人的反苏维埃的托洛茨基反革命特务组织”，说李立三是这个组织的负责人，任务是刺杀斯大林，执行推翻社会主义苏联的使命。
师哲在《我所知道的康生》一文中写道：“李立三就是王明和康生在共产国际活动后被逮捕下狱的，幸而未被处决。1938年王稼祥和任弼时同志先后任中共驻共产国际代表时，才逐渐审查了幸存而在押的中国同志，使他们重见天日，得以继续为革命贡献力量。对李立三的证明材料，就是我整理起草的，他于1939年获释出狱。”
王明与康生的“加害”，使远在异国孤立无援的李立三，在苏联的监狱里吃尽了苦头，险遭被处决的厄运。
在苏联军事法庭1939年5月11日对李立三的审判结论中写道：
罪名：反革命托洛茨基分子、特务恐怖在莫斯科的中国集团。
经审查确认：李立三于1930年作为中共政治局委员，在中国共产党内成立了托派反革命、反共产国际集团。名称：李立三路线。
集团目标：破坏中国革命主力军。
来苏联后，李立三与在莫斯科的中国托派分子：林德胜、李达克、特拉维金、克农斯以及其他人（所有这些人已被审判定罪），于1935年在莫斯科，在托派林德胜领导下，形成了托派、特务恐怖组织。李明（即李立三）加入了该集团。该集团直接受日本特务系统的领导。该团体进行了恐吓、杀害苏共、苏联国家政府和共产国际领导人。林德胜被捕后，李明成了该集团领导成员之一。
李立三在外国工人出版社校对托洛茨基、季诺维也夫恐怖中心审判资料译文时，有意识地歪曲原文本意，导致译文出现反革命性质。
该集团领导成员特拉维金、李达克、克农斯已揭发李明是该集团成员。
1938年6月，李立三在监狱中受到严刑拷打，面对种种非人的折磨，李立三经深思熟虑，先是违心地签署不真实的供词，但紧接着随后他又写出无数申诉材料，对在受到拷打时的供词全部加以否认，对强加在他头上的所有诬陷的罪名一一加以驳斥。
针对说他是“托派”的罪名，李立三申述道：“立三路线的确是与共产国际的路线相背而驰的，立三路线的一些思想和观点与托派的观点有所接近，但是，立三路线的政治立场与托洛茨基派的政治立场是不一致的。立三路线与托派不但没有组织上的联系，也没有政治上的联系。”
申诉材料写道：1925年和1928年他曾两次到过苏联。1926年在参加赤色国际工会会议后，共产国际原准备派他到西方某个国家去搞工人运动，为中共驻某个国家分局，以逃避中国国内反动派对他的追捕。李立三谢绝了共产国际为他作出的安排，坚持回到国内参加斗争。
他还写道：1934年和1935年他都在中苏边境的哈萨克斯坦阿拉木图工作，其任务是根据共产国际的派遣，在那里建立起一个秘密交通站，负责转运中共到苏联来往人员，架设因中共红军长征中断了与共产国际联系的联络电台。直到1935年共产国际第七次代表大会召开，他被通知参加会议才回到莫斯科。
共产国际第七次代表大会后，中共代表团派他担任《救国时报》的总编。
李立三为什么要先提供伪证，后来又加以否认呢？据说，这是他当时运用的一种对付诬告陷害他的一种斗争策略。目的是为了引起更高级别军事法庭对他的案件的重视，由更高级别的法庭来审理他的案子。
据李立三夫人李莎说：1993年4月她在莫斯科原苏联内务部查阅李立三案件的档案时，内务部一名上校军官对李莎说，当时李立三运用这个斗争策略是很高明的。他说，在他看过的案卷中，当时只有两个人采取过这种斗争手法。除李立三外，另一个是共产国际的×××。最后的结果，他们两个人都获得了释放。李立三认为，只有提高审判级别，才有获释的希望。那位上校说，“这是成功的策略”。
关于“贪污”问题，1939年10月26日即李立三还在莫斯科的监牢中为自己写的辩护词中曾经写道：（共产国际干部局负责人）马尔特维诺夫在“证明材料”中写道：王明似乎讲过“当李明在江苏工作的时候，那里有9个月没有向党提交财政汇报，他至少贪污了3万美元，具体数目很难确定，因为钱都是李明自己经手的。”
李立三在自我辩护中反驳道：“我在为党工作的一生中，从未在江苏担任党的领导职务，只有在1930年8—9月不到一个月的时间担任过江苏行动委员会主席。既然我没有在江苏担任过工作，又怎么可能贪污江苏省委的经费呢？我对王明在中共代表团会议上的发言记忆犹新，当时他说：‘立三路线的时候，以罗迈为首的江苏省委有9个月时间没有提交财政汇报，当时的总开支不少于3万美元。其中有400美元有李明签字的收条，这笔钱究竟哪里去了，很难查清。’这些话为什么会说成这个样子？我自然不清楚。但事实证明，这无疑是歪曲。因为据我所记，立三路线期间，江苏省委每个月的经费总额只有3000美元，9个月来，省委总收入不超过3万美元，那么罗迈和我怎么可能贪污3万美元呢？3万美元对中国共产党来说，是相当大的一笔金额，假如我或罗迈果真犯有这类罪行，那么中共中央和共产国际执委会早就会追究这个问题的，可为什么从来没有人提出来呢？这个问题被歪曲得实在荒唐，真是一派谬论。
