Летом 1937 года начались массовые аресты, было арестовано почти все духовенство Твери и области. Следователи всех расспрашивали о владыке. После долгих и мучительных пыток священник села Ерзовка Митрофан Орлов подписался под клеветой на архиепископа Фаддеея. Показания против него давали и обновленцы.
20 декабря, около восьми часов вечера, за владыкой пришли. Перерыли весь дом, обыскивали до пяти часов утра, но ни денег, ни чего-либо ценного не нашли. Взяли панагию, кресты, потир, дароносицу, облачение, свечи, четки, духовные книги, тетради с записями, официальные циркуляры Московской Патриархии, фотографии, два архиерейских жезла.
— На что же вы живете? — спросил сотрудник НКВД.
— Мы живем подаянием, — ответил владыка. На допросах он держался мужественно, отрицая обвинения в контрреволюционной деятельности.
Его поместили в камеру к уголовникам, которые всячески над ним издевались: подводили к стене и забирались к нему на плечи, чтобы достать до окна; измучив, заталкивали под нары и время от времени, наполнив консервную банку нечистотами, совали владыке это «кадило». Он с кротостью и смирением переносил все мучения и унижения и, лежа под нарами, непрестанно молился. Вступилась за него Сама Матерь Божия. Она явилась главарю уголовников и грозно сказала: «Не трогайте святого мужа, иначе вы все лютой смертью погибнете». Наутро тот пересказал сон остальным, и они бросились под нары глянуть, жив ли еще старец. Из-под нар их осиял ослепительный свет. Вытащив владыку, все просили у него прощения. С этого дня издевательства прекратились.
Через десять дней после ареста Тройка НКВД приговорила высокопреосвященного Фаддея к расстрелу. Он был казнен около часа ночи 31 декабря 1937 года. Рассказывают, что владыку утопили в яме с нечистотами. Тюремный врач предупредила верующих, что скоро его тело тайно повезут на кладбище, и двум женщинам удалось быть при погребении. Весной 1938 года они перезахоронили владыку в простом гробе. В руку ему вложили пасхальное яйцо, на могиле поставили крест с надписью, но вскоре власти могилу ликвидировали.
Прошло много лет, храм, стоящий на кладбище, был разрушен, снесена и уничтожена большая часть памятников и крестов, и точное место могилы архиепископа Фаддея было забыто.
Все эти годы верующие Твери хранили память о владыке Фаддее и о его могиле. По благословению архиепископа Тверского и Кашинского Виктора иеромонах Дамаскин предпринял попытку обнаружить останки владыки Фаддея. Одна из верующих, долгое время занимавшаяся этими поисками, Ю. Е. Топоркова, осенью 1990 года нашла точное место захоронения владыки. Экспертиза, проведенная в Москве, подтвердила, что найденные останки принадлежат ему.
