В течение последовавших 10 дней, в качестве наказания за оскорбление следователей, арестованный перенес 5 суток карцера. Одновременно к нему применили физические и психологические методы воздействия, то есть, попросту говоря, пытки. Вскоре та же участь постигнет и самих палачей: в феврале 1939 года сотрудник 4 отдела ГУГБ НКВД М. Л. Гатов, который вёл дело Семёнова, будет осуждён за фальсификацию следственных дел, а в 1956 году, в ходе дополнительного расследования откроются новые вопиющие факты применения им незаконных методов ведения следствия. 22 августа 1961 года Семенова реабилитируют.
Но все это будет потом, а в июне 1937 г . его железную волю сломали самыми безжалостными методами. 15 июня он написал заявление на имя наркома НКВД Н. И. Ежова, которое начиналось словами: «В течение 4-х месяцев я упорно отрицал своё участие в организованной контрреволюционной террористической деятельности». Он обещал «во всём признаться», и признался — протоколы допросов от 26 июня и 4 июля содержали в себе обилие фактов и имён, едва прикрытых завесой правдоподобия. 15 июля комиссия партконтроля при ЦК ВКП(б) исключила его из партии как контрреволюционера.
7 октября 1937 года Семёнов получил копию обвинительного заключения, в котором ему инкриминировалось сразу несколько статей УК РСФСР. На следующий день его дело слушалось на закрытом заседании Военной коллегии Верховного Суда СССР под председательством В. Ульриха. Заседание длилось всего полчаса — с 20.45 до 21.15. После оглашения обвинительного заключения Семёнов встал и заявил, что «виновным себя не признаёт…. что показания на предварительном следствии дал ложные». Он уточнил, однако, что за собой признаёт только следующее: «В своё время я был руководителем боевой организации при ЦК ПСР и организовал покушение на убийство Ленина и, кроме того, организовал убийство Володарского». (Как отмечает С. В Журавлев, «трудно представить, чтобы, отказываясь от ложных показаний, „выбитых“ из него на предварительном следствии, Семенов мог наговаривать на себя относительно роли организатора покушения на Ленина… Можно считать окончательно установленным, что убийство Володарского и покушение на Ленина в 1918 г . … были подготовлены именно группой эсеров-боевиков во главе с Семеновым. Это означает, что все остальные существующие версии, в том числе и о мистификации или инсценировке покушения самими большевиками с целью оправдания „красного террора“, следует признать несостоятельными»). Но это ему в вину как раз и не поставили, ограничившись обвинением в преступлениях против нынешних руководителей партии и государства. Тут же зачитали вердикт коллегии — высшая мера наказания. В тот же Семёнов Григорий Иванович был расстрелян.
