Семёнов был обвинён в участии в «контрреволюционной организации правых». При обыске на его квартире изъяли большое количество писем и фотографий, две из которых доказывали несомненную близость с «лидером правых»: Семёнов с Бухариным были сфотографированы вместе. Всплыла и связь с Эсфирь Гурвич, а также то, что Бухарин защищал Семёнова на процессе правых эсеров в 1922 году. Сам же Николай Иванович ещё в заявлении на февральско-мартовском пленуме ЦК ВКП(б) 1937 года писал, что пример с Семёновым неудачен. Ведь «Семёнов фактически выдал советской власти и партии боевые эсеровские группы. У всех эсеров, оставшихся эсерами, он считался „большевистским провокатором“. Роль разоблачителя он играл и на суде против эсеров. Его эсеры ненавидели и сторонились его как чумы». Бухарин подчёркивал, что в 1922 году защищал Семёнова «по постановлению ЦК партии. Партия наша считала, что Семёнов оказал ей большие услуги, приняла его в число своих членов» (Вопросы истории. 1992. № 2-3. С.27-28.).
Все эти доводы оказались бесполезны. Ефим Цетлин, бывший первый секретарь ЦК РКСМ и секретарь Бухарина, 14 декабря 1936 года дал показания о том, что в начале 1930-х Бухарин дал Семёнову задание подобрать людей из числа бывших эсеров-боевиков и организовать покушение на Сталина и других руководителей государства. Эти показания стали основанием для ареста.
Первый допрос Семёнова состоялся 23 февраля 1937 года. Он подробно и откровенно рассказал о всех фактах своей непростой биографии. Относительно деятельности в Центральной боевой организации ЦК ПСР Семёнов подтвердил, что «при его непосредственном участии и руководстве» в 1918 году был убит Володарский и ранен Ленин. Он признал, что действительно разделял идеи правых, но отрицал участие в контрреволюционной организации: «Я привык нести ответственность за свои действия, за свои поступки. Пусть меня моя социалистическая страна судит и воздаст должное за мои преступления». Вины за собой он не видел. И на последующих допросах он также продолжал её отрицать.
4 июня 1937 года Семёнову устроили очную ставку с другим партийным реликтом — «раскаявшимся боевиком» Константином Усовым, бывшим соратником по боевой организации 1918 года. Усов заявил, что является членом боевой организации правых, а Семёнов — её руководитель, готовивший покушения на Сталина и членов правительства. Этого наш герой уже не выдержал. «В ответ на признание Усова Семёнов разразился грубой площадной бранью, начал оскорблять следователей». Смысл сказанного Семёновым в форме непечатных ругательств, следователь записал так «Вы Усова замучили угрозами, смотрите, на кого он похож, и поэтому даёт показания». После этого Семёнов отказался отвечать на вопросы, и очная ставка была прервана.
