Ο Νίκος Πλουμπίδης συλλαμβάνεται στις 25 Νοέμβρη του 1952. Κρατείται από τότε έως την έναρξη της δίκης στις 24 Ιούλη 1953, ημέρα Παρασκευή. Μαζί του δίκαζαν ερήμην και τους Ν. Ζαχαριάδη, Γ. Ιωαννίδη, Β. Μπαρτζιώτα, Μ. Πορφυρογένη, Π. Ρούσο, Λ. Στρίγγο, Μ. Βλαντά, Γ. Βοντίτσιο - Γούσια κ.ά. Βασική κατηγορία του καθεστώτος εναντίον τους ήταν η «παράβαση» του ΑΝ 375 της μεταξικής δικτατορίας περί κατασκοπίας.
Λίγο πριν από τη σύλληψή του και μετά, μέχρι την εκτέλεσή του, περνάει την πιο δύσκολη φάση της ζωής του. Η αντίδραση εκμεταλλεύεται την άδικη κατηγορία από την ηγεσία του Κόμματος, για να χτυπήσει το ίδιο το ΚΚΕ. Σ' αυτή τη μεγάλη δοκιμασία, ο Πλουμπίδης μένει αταλάντευτος. Υπερασπίζεται το Κόμμα, τη γραμμή και τις αρχές του, δίνοντας παράδειγμα κομματικού ήθους και αυτοθυσίας.
Οσο για εκείνους που επιμένουν ακόμα και σήμερα να χρησιμοποιούν την υπόθεση Πλουμπίδη ενάντια στο ΚΚΕ, η απάντηση έρχεται από τον ίδιο, με ένα γράμμα - ντοκουμέντο: «Εκείνοι που με αγαπούν και με σέβονται οφείλουν να πειθαρχήσουν στο Κόμμα, να διαφυλάξουν την Ενότητά του και να έχουν εμπιστοσύνη στην ηγεσία του. Τιμή μου εγώ, πάνω απ' όλα έχω την τιμή του Κόμματος».
Το στρατοδικείο τον καταδίκασε δύο φορές σε θάνατο. Σε όλη τη διάρκεια της δίκης του δε σταματάει στιγμή να υπερασπίζει αυτά που πίστευε: «Σήμερα, κύριοι, δε δικάζετε άτομα. Δικάζετε το ΚΚΕ. Και επ' αυτού δηλώνω, παρόλο ότι σήμερα όχι μόνο δεν έχω την τιμή να εκπροσωπώ το Κόμμα μου, αλλά έχω και πολεμική εναντίον μου, δηλώνω, ότι αναλαμβάνω πλήρως τις ευθύνες για την πολιτική του Κόμματός μου»... «Ματαιοπονείτε, αν πιστεύετε ότι θα με κάνετε να στραφώ ενάντια στο Κόμμα μου».
Ο Ν. Πλουμπίδης άκουσε ψύχραιμος την καταδικαστική απόφαση και στους δημοσιογράφους απάντησε: «Θα αντιμετωπίσω το θάνατο σαν Ελληνας κομμουνιστής, όπως αντιμετώπισα και την κατηγορία σε όλη την ακροαματική διαδικασία. Θα πεθάνω ήσυχος και γιατί αρκετό σπόρο έσπειρα και γιατί χιλιάδες νέοι Ελληνες θα πάρουν τη θέση μου μέχρι τη νίκη του λαού».