Примаков стойко выдержал пытки и никаких признаний не дал. Он несколько раз писал Сталину, доказывая свою невиновность и разоблачая своих истязателей: «Я не троцкист и не контрреволюционер, я преданный боец и буду счастлив, если мне дадут возможность на деле работой доказать это». Все его письма позже нашлись в личном сталинском архиве. Ни одного ответа на них не последовало.
Какое-то время, видимо, в Примакове теплилась еще надежда, что он что-то сумеет доказать и, как двумя годами раньше, придет освобождение с извинением за допущенную ошибку. Через две недели после ареста, 29 августа, он написал заявление Агранову, наивно полагая, что «близкий друг» их общего с Лилей дома придет на помощь: «Очень прошу Вас лично вызвать меня на допрос по делу о троцкистской организации. Меня все больше запутывают, и я некоторых вещей вообще не могу понять сам и разъяснить следователю. Очень прошу вызвать меня, так как я совершенно в этих обвинениях не виновен. У меня ежедневно бывают сердечные приступы».
И это письма осталось без ответа. Широко распространенное мнение, будто «близкий друг» Агранов участвовал в его допросе, не соответствует истине. Агранов допрашивал Путну, но не Примакова, нарочито уклоняясь от встреч с этим подследственным и тем подчеркивая свою «объективность». Но, ясное дело, именно он — по должностному своему положению — дирижировал всеми пытками из служебного кабинета: информация о ходе «следствия» поступала к нему ежечасно.
Зимой, накануне пленума ЦК, где должна была решиться «демократическим путем» уже предопределенная Сталиным судьба Бухарина и Рыкова, истерзанного и кое-как залатанного Примакова привезли на заседание политбюро. Собрался весь верховный синклит, в том числе и те, кого уже дожидались свои палачи. Примаков продолжал стоять на своем, не желая смириться с неизбежным. Сталин бросил ему в лицо: «Трус!» Вероятно, он хорошо знал психологию этих людей, фанатично приверженных так называемой партийной дисциплине и «советской воинской чести».
Еще несколько месяцев «запирательств», и лубянские мастера могли рапортовать о победе, 14 мая 1937 года Примаков начал «признаваться» во всем. Разумеется, он состоял в руководстве военного заговора, разумеется, организатором готовившегося переворота был Тухачевский, разумеется, среди заговорщиков, как того и хотелось авторам сочиненного на Лубянке сценария, были Иона Якир, Иероним Уборевич и еще многие другие. И тем более разумеется, что все нити вели лично к Троцкому... В начале июня «участников заговора», по показаниям Примакова, насчитывалось уже более сорока человек. Дожившие до «оттепели» двое его истязателей — Владимир Бударев и Алексей Авсеевич — рассказали (первый в 1955 году, второй в 1962-м), что ни один из так называемых заговорщиков не подвергался столь жестоким пыткам, как Примаков.
11 июня 1937 года, в 23 часа 35 минут, на фальсифицированном суде Примаков и все остальные «главные заговорщики» были приговорены к расстрелу, и уже через час его не стало. Казнь свершилась в присутствии судьи Василия Ульриха и прокурора Андрея Вышинского. Сталин потребовал от членов так называемого Специального судебного присутствия, перед которым предстали «заговорщики», письменно ему доложить, как они вели себя на скамье подсудимых. Один из судей, командарм Иван Белов (тоже расстрелянный годом позже), докладывал: «Примаков выглядел сильно похудевшим, показывал глухоту, которой раньше у него не было. Держался на ногах вполне уверенно». Другой член суда, маршал Семен Буденный, тоже представил свой доклад: «Примаков держался на суде с точки зрения мужества, пожалуй, лучше всех <...>. Очень упорно отрицал, что он руководил террористической группой против Ворошилова <...>».
Эти свидетельства можно дополнить воспоминаниями бывшего заместителя министра государственной безопасности Селивановского, представленными в ЦК КПСС в декабре 1962 года, когда полным ходом шла реабилитация жертв «культа личности»: «Зверские, жестокие методы допроса сломили Примакова. <..,> Ему приписали то, чего он не говорил даже под пытками. <...> Примаков был сломлен длительным содержанием в одиночной камере, скудным тюремным питанием. Его одели в поношенное хлопчатобумажное красноармейское обмундирование, вмести сапог дали лапти, не стригли и не брили...»
Родные и близкие обычно ничего не знали ни о дате гибели «врагов народа», ни даже о самом факте их расстрела. Им сообщали условную, придуманную, разумеется, Сталиным формулировку приговора: десять лет лагерей без права переписки. Но про расстрел Примакова и его «подельников» из газет и по радио узнал весь мир.