1932年10月15日下午7时，陈独秀刚刚吃完晚饭，突然闯进一群捕快及探员，不由分说，将陈独秀架起便走。同时留下几人在屋里翻箱倒柜，搜出大量中、日、俄三国文字的文件，一并搬到车上。
陈独秀坐在车上，神态自若，心里清楚这次被捕凶多吉少。蒋介石杀了那么多共产党人，仅仅去年就杀害了邓恩铭、恽代英、蔡和森、邓演达等人，而陈独秀是蒋介石通缉的首犯，他的两个儿子已经先他而去，如今落到蒋介石手里，哪里还有生还的可能。
陈独秀被带到嘉兴路巡捕房，进去之后才发现，彭述之、谢少珊、罗世凡等托派中央常委共5人也被抓来了。见到陈独秀，彭述之异常惊讶：“你怎么也进来了？”
原来，这天上午，彭述之等5个人在谢少珊家中开会时被捕，陈独秀因身体不适未能前往。5人被捕后，彭述之以为陈独秀躲过了一劫，没想到谢少珊出卖了陈独秀，供出了陈独秀的住址。
17日，陈独秀等人被押到江苏高等法院第二分院开庭会审。由于陈独秀身份特殊，上海市长吴铁城经请示蒋介石，于18日夜将陈独秀与彭述之连夜押解南京。
一身傲骨，贫病交加中离世
陈独秀被捕后，各大报纸争相报道，引起全国各界人士广泛关注，蔡元培、杨杏佛、柳亚子等社会名流联名致电南京政府与国民党中央党部，强烈要求释放陈独秀；10月30日，胡适在北大作《陈独秀与文学革命》演讲，同时给蒋介石发电报，请求释放陈独秀；杜威、罗素、爱因斯坦也纷纷致电蒋介石，要求释放陈独秀。律师界名流章士钊、郑毓秀、张耀曾等纷纷要求为陈独秀一案出任律师。陈独秀选择好友章士钊及另外四名律师为其出庭辩护。
1933年4月，经江苏省高等法院派员，假江宁地方法院刑二厅三次公开审理，于26日判处陈独秀有期徒刑13年，在社会舆论的压力下，一年后“以文字为叛国宣传”的罪名，由国民政府最高法院终审改判8年，被送往南京老虎桥45号江苏第一监狱，关押在一间单人牢房里。
由于不少国民党要人来狱中劝降陈独秀，宋美龄也曾在铁道部长顾孟余的陪同下前来，典狱长对陈独秀越发刮目相看，在许多方面给予优待。此间，三子松年、四子鹤年、女儿子美都先后前来探望，唯独不见潘兰珍的身影。
陈独秀后悔当初对她隐瞒了身份和姓名，曾在判刑前请老朋友高语罕代他将书桌抽屉里潘兰珍的物品包括那张当票保存起来，通知潘兰珍取回。此后又断断续续请高语罕给潘兰珍捎口信，打探潘兰珍的近况。
1933年下半年的一天，陈独秀正在牢房里看书，典狱长突然带着潘兰珍走进牢房。见到潘兰珍，陈独秀又惊又喜。
“不是说过不让你来吗？”陈独秀让高语罕捎过这个话，但心里是希望潘兰珍来看他的。
“不让来干嘛要捎信？”潘兰珍嗔怪着，“一会儿说姓李，一会儿说是南京人，编排的像真的似的，看你现在还怎么编排。”
“蒋介石悬赏那么多钱抓我，不编排怎么行，会让你担惊受怕的。”陈独秀赶紧解释，见潘兰珍注意到床上的皮袄，又说，“人家送的。”
“我知道是人家送的，我的皮袄驼绒被不是都被你当掉了吗。”
“说的也是，当衣当被，还是整天缺粮断顿。倒是坐牢之后吃穿不愁，也无须东躲西藏了。”
陈独秀的幽默，让坐牢有了些喜剧色彩。当晚，潘兰珍住进陈独秀的学生家中，后来在老虎桥监狱附近租了一间房，靠给人做短工维持生计。但大部分时间，潘兰珍用来照顾和陪伴陈独秀，她每天都会给陈独秀带上几样可口小菜。在潘兰珍的精心照料下，陈独秀的身体一日比一日好。
1934年，陈独秀住进监狱的“优待号”，在这里，他拥有两大书架书籍，经、史、子、集一样不落。
这一期间，他潜心研究文字学、音韵学，发表相关著作多部，《实庵自传》便是在这一时期完成，值得一提的是，他还写下爱国诗作《金粉泪》56首。与此同时，陈独秀和托派保着持联系，但在托派的内部争斗中，于1935年被开除。
