В мае 1928 г. ОГПУ провело операцию по аресту ряда религиозных деятелей и представителей русской аристократии, после революции проживавших в Сергиевом Посаде и его окрестностях. Перед этим в подконтрольной прессе была развернута кампания под заголовками-лозунгами: «Троице-Сергиева Лавра — убежище бывших князей, фабрикантов и жандармов!», «Гнездо черносотенцев под Москвой!», «Шаховские, Олсуфьевы, Трубецкие и др. ведут религиозную пропаганду!» и т. д. 21 мая 1928 г. Ф. был арестован. Ему не инкриминировали ничего конкретного. В обвинительном заключении от 29 мая утверждалось, что Ф. и другие арестованные, «проживая в г. Сергиев и частично в Сергиевском уезде и будучи по своему социальному происхождению «бывшими» людьми (княгини, князья, графы и т. п.), в условиях оживления антисоветских сил начали представлять для соввласти некоторую угрозу, в смысле проведения мероприятий власти по целому ряду вопросов». 25 мая 1928 г. по поводу обнаруженной у него фотографии царской семьи Ф. показал: «Фотокарточка Николая II хранится мною как память Епископа Антония. К Николаю я отношусь хорошо и мне жаль человека, который по своим намерениям был лучше других, но который имел трагическую судьбу царствования. К соввласти я отношусь хорошо (другого ответа на допросе в ОГПУ ожидать и не приходилось. — Б. С.) и веду исследовательские работы, связанные с военным ведомством секретного характера. Эти работы я взял добровольно, предложив эту отрасль работы. К соввласти я отношусь как к единственной реальной силе, могущей провести улучшение положения массы. С некоторыми мероприятиями соввласти я не согласен, но безусловно против какой-либо интервенции как военной, так и экономической». 14 июля 1928 г. Ф. в административном порядке был сослан на три года в Нижний Новгород. В сентябре 1928 г. по ходатайству жены Максима Горького (А. М. Пешкова) (1868–1936) Екатерины Павловны Пешковой (1878–1965) Ф. был возвращен в Москву, прокомментировав обстановку в столице следующими словами: «Был в ссылке, вернулся на каторгу». 25 февраля 1933 г. Ф. повторно арестовали и обвинили в руководстве придуманной ОГПУ контрреволюционной организацией «Партия Возрождения России». Под давлением следствия Ф. признал справедливость этого обвинения и передал 26 марта 1933 г. властям составленный им философско-политический трактат «Предполагаемое государственное устройство в будущем». В нем якобы излагалась программа «Партии Возрождения России», которая следствием именовалась национал-фашистской. В этом трактате Ф., будучи убежденным сторонником монархии, отстаивал необходимость создания жесткого автократического государства, в котором большую роль должны были играть люди науки, а религия отделена от государства, поскольку «государство не должно связывать свое будущее с догнивающим клерикализмом, но оно нуждается в религиозном углублении жизни и будет ждать такового». 26 июля 1933 г. Ф. был осужден тройкой Особого совещания на 10 лет исправительно-трудовых лагерей и 13 августа отправлен по этапу в восточносибирский лагерь «Свободный». 1 декабря 1933 г. он прибыл в лагерь и был оставлен на работу в научно-исследовательском отделе управления БАМЛАГ. 10 февраля 1934 г. Ф. отправили на опытную мерзлотную станцию в Сковородино. Проведенные здесь Ф. исследования легли в основу книги его сотрудников Н. И. Быкова и П. Н. Каптерева «Вечная мерзлота и строительство на ней» (1940). В июле-августе 1934 г. с помощью Е. П. Пешковой к Ф. в лагерь смогла приехать жена с младшими детьми — Ольгой, Михаилом и Марией (старшие Василий и Кирилл в тот момент находились в геологических экспедициях). Семья привезла Ф. предложение правительства Чехословакии договориться с советским правительством о его освобождении и выезде в Прагу. Для начала официальных переговоров требовалось согласие Ф. Однако он отказался. В сентябре 1934 г. Ф. перевели в Соловецкий лагерь особого назначения (СЛОН), куда он прибыл 15 ноября 1934 г. Там Ф. работал на заводе йодной промышленности, где занимался проблемой добычи йода и агар-агара из морских водорослей и сделал ряд научных открытий. 25 ноября 1937 г. постановлением Особой тройки Управления НКВД по Ленинградской области Ф. был приговорен к высшей мере наказания «за проведение контрреволюционной пропаганды» и согласно сохранившемуся в архиве органов безопасности акту расстрелян 8 декабря 1937 г. Место гибели и захоронения Ф. неизвестно. Ф. оставил неоконченные воспоминания «Детям моим», изданные посмертно. В 1958 г. он был реабилитирован.
У Ф. было пятеро детей: Василий (1911–1956), Кирилл (1915–1982), Ольга (в замужестве Трубачева) (1921 г. рождения), Михаил (1921–1961) и Мария-Тинатин (1924 г. рождения).