В марте 1941 года снова начинаются допросы. К этому времени он был переведен в двадцать седьмую камеру Бутырской тюрьмы, в которой уже сидело около двухсот человек. Один из сидевших там арестантов (художник Г.Г. Филипповский) рассказывал, что, когда его втолкнули в камеру, он сразу заметил пожилого человека, который, лежа на нарах, задирал кверху опухшие ноги с огромными вздутыми синими ступнями. Это был Вавилов, лишь недавно вернувшийся после ночного допроса, где следователь заставил его простоять более десяти часов. Лицо его было отечным, с мешками под глазами. Каждую ночь Вавилова уводили на допрос, а на рассвете обессиленного волокли назад и бросали прямо у порога камеры. До своего места на нарах Вавилов добирался ползком (стоять, а тем более ходить, он уже не мог), соседи кое-как стаскивали с его ног ботинки…

…9 июля 1941 года состоялась комедия суда над "троцкистом и монархистом"… На закрытом заседании Военной коллегии Верховного суда СССР… Вавилову выносится приговор — высшая мера наказания, расстрел. В помиловании Вавилову было отказано… Но Вавилова не расстреляли в Бутырской тюрьме. Расстрел был отсрочен на полтора года. Фактически мгновенная смерть была заменена медленной, мучительной смертью, полной унижений.

29 октября его на поезде привозят в Саратов. Вавилов попадает в корпус, где содержали наиболее крупных общественных и политических деятелей. Здесь с ним вместе оказались редактор "Известий" Юрий Михайлович Стеклов, философ, историк и литературовед, директор Института мировой литературы Академии наук СССР академик Иван Капитонович Луппол и другие крупные деятели. Сначала Вавилов сидел в одиночке, а затем он попал в камеру, где его соседями оказались И.К. Луппол и инженер Иван Федорович Филатов… Вот что рассказывал уже почти умирающий Филатов механику Г.М. Лозовскому:

"Камера была очень узкая с одной койкой, прикованной к стене, окон не имела. Находилась эта камера в подвальном помещении тюрьмы… Жара, духота… Сидели потные. Одежду свою, холщовый мешок с прорезью для головы и для рук, заключенные называли хитоном. На ногах лапти, плетенные из коры липы. Луппол говорил, что такую одежду носили рабы в Древнем Риме… Вавилов навел дисциплину в камере. Ободрял своих товарищей. Чтобы отвлечь их от тяжелой действительности, завел чтение лекций по истории, биологии, лесотехнике.

Лекции читали поочередно все трое…". В камере смертников Вавилов пробыл в общей сложности около года. За это время арестантов ни разу не вывели на прогулку. Им было запрещено переписываться с родными, получать передачу. Их не выпускали в баню и даже не давали мыла для умывания в камере. К весне 1942 года состояние Вавилова ухудшилось, и он тяжело заболел цингой…

Весной 1942 года в тюрьме разыгралась эпидемия дизентерии. Заболел и Вавилов. Однако и это испытание не было последним. К двум академикам, Вавилову и Лупполу, посадили какого-то умалишенного, который, пуская в ход кулаки и зубы, отнимал у них утреннюю пайку хлеба. А в это время в Саратове жила поселившаяся у своей сестры-учительницы жена Вавилова, доктор биологических наук Елена Ивановна Барулина. Но о том, что муж ее в Саратове, она не знала (продуктовые посылки, приобретенные на ее более чем скромные средства, Барулина посылала в Москву, где они исчезали в недрах НКВД). Вавилов тоже ничего не знал о жене, как не знал и о том, что в мае 1942 года был избран членом Лондонского королевского общества.

Между тем 13 июня 1942 года заместитель народного комиссара внутренних дел В.И. Меркулов пишет председателю Военной коллегии Верховного суда СССР Ульриху о Вавилове и Лупполе: "Ввиду того, что указанные осужденные могут быть использованы на работах, имеющих оборонное значение, НКВД СССР ходатайствует о замене высшей меры наказания заключением в исправительно-трудовом лагере НКВД сроком на 20 лет каждому".