1937年2月25日的苏共中央全会上，内务部负责人作了关于布哈林、李可夫从事“间谍和破坏活动”的报告。布哈林断然反驳这些莫须有的指控，并要求成立一个调查内务部不法活动的委员会。布哈林作了极大的努力，但都无济于事。
布哈林深知事已如此，他不再抱任何幻想了。于是他就利用两天休会时间，在家中写一封《致未来一代党的领导人的信》，嘱咐妻子拉林娜一定要熟记背诵下来，他说：“你还年轻，还会看到由其他人来领导我们党的那一天。”他还一再测试妻子对此信的记忆程度，直到一字不差地铭记在心为止，然后把原信焚毁。
1937年2月27日，中央全会复会，通知布哈林、李可夫到会听取处理决定。布哈林完全预感到自己的命运已不可挽回。他吻别了不满周岁的儿子，泪水纵横地跪在妻子面前请求宽恕，站起来对妻子说：“记住，安娜，我是无罪的。把我们的儿子教育成为一个真正的布尔什维克吧!”
1937年2月27日，布哈林在中央全会被捕后，审查人员曾对他采取软化手段，但他拒不招供。1938年3月，在法庭上，他作了长达1万多字的最后申诉。虽然他显得面容苍老憔悴，但仍然表现出坚贞不屈，胸怀坦然的气度。他的结束语是：“我等待着判决。事关重要的不是一个悔改的敌人的个人感情，而是苏联的欣欣向荣的发展及其国际意义。”
1938年3月13日，布哈林、李可夫被判处枪决。3月15日夜，布哈林被处决了。关于布哈林被处决时的情景，根据莫斯科流传的一种说法；布哈林、李可夫是“挺着胸脯站着死的，而不像加米涅夫、季诺维也夫那样趴在地下室的地上哭泣要求怜悯。”
至于布哈林托付给妻子拉林娜的信，她一直牢记了18年之久，直到1956年她获释后，才书写出全文，并于1961年3月上交苏共中央监察委员会。信中写道：
我命在旦夕。我低下我的头，但不是在无产阶级斧钺面前，它必定是无情的，但也是纯洁的。面对一台地狱般的机器，我感到我无能为力，这台机器通过采用中世纪的方法，大概已经攫取了大权，制造着有组织的诽谤，大胆而自信地在采取行动……
我十八岁就入党了，我的生活的目的始终是为工人阶级的利益，为社会主义的胜利而奋斗。这些天来，冠以“真理”这个神圣名字的报纸在刊登最肮脏的谎言，说什么我，尼古拉·布哈林，想摧毁十月革命的胜利，想复辟资本主义……
我向全体党员呼吁!在这些日子里，在或许是我生命的最后的日子里，我确信，历史迟早必然会抹去我头上的污秽。我从来没有当过叛徒；我会毫不迟疑地献出我的生命来挽回列宁的生命；我热爱基洛夫；我没有干什么反对斯大林的事。我要求年轻、真正的新一代的党领导人在党的全会上宣读我的信，宣告我无罪，恢复我的党籍。
同志们，要知道，在你们举着向共产主义胜利迈进的旗帜上，也有我的一滴血。
尼·布哈林