就在张学思被诱捕的当天早晨，李作鹏一伙就派人奔到张学思家里抄家。谢雪萍同志质问他们为什么把张学思关起来，他是什么问题，回答是：“有重大政治问题，不能告诉你，你们也不要打听。”
张学思被关押，到底凭什么？全海军机关除了李作鹏一伙，谁也不知道，就连海军司令员萧劲光同志也被蒙在鼓里。
在那个黑白混淆、人妖颠倒的年代，哪里还讲党委领导和社会主义法制？人已被抓起来了，却还没有立案。9月13日，李作鹏才指使其亲信搞了一个以海军党委名义上送的“立案报告”。报告说国民党特务机关长期策反张学思，张可能有重大的政治问题，为此“请示对张学思进行隔离审查，并向海军直属机关各级领导和革命群众公布张的问题”。可是，这个“立案报告”还是被周总理看到并压了下来。当时，周总理的处境已经十分困难，但为了保护张学思，他仍很策略地批示道：“此事待成武同志回来考虑。”周总理的这句话包含了两层意思：一是不同意立即抓人；二是把这件事交给当时主持总参工作的杨成武同志来处理，进而把张学思保护起来。然而，他哪里知道，李作鹏一伙早已秉承了林彪的旨意，先斩后奏，把张学思已经逮捕关押了。周总理还批示道：“事情没有查清之前，不要向群众公布。”然而，林彪的一伙亲信偏偏要反其道而行之。周总理批示之前，他们对抓张学思的事一直保密，总理批示刚下，“张学思是特务”等谣言就迅速传遍海军大院，有个别的狂妄之徒甚至提出要“揪张学思的后台老板”，想通过整倒张学思来诬陷栽赃周总理。
张学思被捕后的一天，有几个人鬼鬼祟祟地来到张学思家中对他的夫人谢雪萍说：“我们是上级派来的专案组。你和张学思1961年参加西安事变25周年招待会，是哪里通知你们的？什么人主持的会？讲了什么话？有什么活动？”谢雪萍一想：“这不是要调查周总理吗？”一股怒火涌上她的心头。
原来，林彪集团和“四人帮”一伙要调查的，是1961年12月12日由周总理主持举行的西安事变25周年招待会。张学思夫妇和杨拯民夫妇应周总理邀请而出席，他们就坐在总理的一左一右。席间，周总理代表毛主席和党中央，表达了对西安事变，对张学良、杨虎城两位爱国将领的怀念之情。张学思感情异常激动，在给周总理敬酒时竟泣不成声。总理也难过得流下了热泪，深情地对大家说：“25年了，杨先生一家4人牺牲了，张先生还囚禁在台湾，没有自由，怎能使人想起他们不落泪呢？”张学思因悲伤过度，未能终席。散席时，周总理还专门去看望了张学思。
对于林彪一伙要张学思夫妇交代的所谓“问题”，谢雪萍愤慨地说：“要调查，你们到周总理办公室去，那里有记录！”说得来人无话可说，只好灰溜溜地走了。
张学思在被关押的日子里，非常想念长期爱护和保护他的周总理。1967年10月5日，张学思向周总理写信申诉：
我背叛了自己出身的阶级，在党内遵循毛主席指引的道路走了30年，在工作中虽然曾有过这样那样的缺点和错误，但是我以党性和生命向党保证，我绝不是叛徒、特务、反革命分子……我已向海军党委写了三封信，至今无回示也无人与我谈话，因此给您写了这封信。
这封信，周总理没有收到。林彪一伙早已设下重重关卡，严密封锁消息。张学思的几个子女也向周总理写了一封信，反映张学思被关押的问题，结果信不仅被没收了，还因而遭到了一顿训斥，叫他们“不要到处告状”。谢雪萍同志向毛主席写了一封信，报告了张学思被诱捕和家中被抄的情况并且亲自送到中南海门口，可是，信照样落到了李作鹏一伙的手里，并且又一次受到“警告”。
张学思驳倒了一条条强加给他的逻辑混乱、令人可笑的罪状。他刚正不阿，宁折不弯的态度，给他带来了日益升级的批斗
一个月过去了，李作鹏一伙经过一番策划，成立专案班子，加紧了对张学思的折磨和迫害。
10月8日，李作鹏的一个亲信来找张学思，传达了李作鹏的“指示”：“据有人揭发，你是敌人长期进行策反对象之一，在已破案的材料中涉及你，这是什么性质的问题，你应该清楚。所以你一定要老实交代，协助组织把这个问题搞清楚。”张学思听后心里明白了，这是要从政治上陷害他。他抑制住心中怒火，镇定地回答说：“既然是这个原因把我抓起来的，这就不是我自己向党做任何保证可以解决的。我自己也没有什么可以交代的，你们可以调查嘛！”一连几天，张学思只字未写。
张学思的强硬态度，使林彪反革命集团非常恼火，他们决心采取群众斗争和专案审讯相结合的办法来压服张学思。从1967年10月25日开始，连续十几天，张学思天天被拉到海军大院，进行大会、小会批斗。批斗以后，专案组又不断进行“提审”，有时搞所谓连续作战。1968年的3月1日到13日，就连续“提审”了13天。李作鹏一伙怂恿揪斗组说：“你们要有强烈的阶级仇恨，作坚决不调和的阶级斗争。”
在相当长的日子里，张学思受到了残酷的迫害和折磨。然而，他精神上所受到的打击比肉体上的摧残更加难以忍受。每次他被拉到海军大院批斗，发现以往那一张张亲切熟悉的面孔变得陌生而冷酷，他的周围，到处是愤怒仇视的目光和震耳欲聋的吼叫，时常还会夹杂比拳打脚踢更侮辱人格的谩骂……张学思虽然参加革命几十年，但由于他特殊的身份和长期从事军事工作外很少参加党内的政治运动，很少有党内斗争的经历和经验。在他的心目中，党一直是一幅纯洁完美的图画，一直是一个高大神圣的形象。他越是坚信党，就越是不理解他目前的处境。
曾与张学思同期受迫害，就关押在他隔壁房间里的吕正操将军，曾回忆到以下一段情节：
