20 февраля 1939 года следствие было завершено. В обвинительном заключении говорилось, что Шаховской являлся участником «антисоветской террористической организации, ставившей себе целью свержение Советской власти и восстановление капитализма при помощи интервенции фашистских стран, а также подготовляющей террористические акты против руководителей партии и правительства». В середине апреля
1939 года под председательством Ульриха состоялось заседание Военной коллегии Верховного суда СССР, на котором было принято решение заслушать дело Шаховского в закрытом судебном заседании без участия защиты и без вызова свидетелей. 14 апреля Дмитрий Иванович Шаховской был приговорен к расстрелу, а на следующий день приговор привели в исполнение (по одним данным, на полигоне в Бутове, по другим – в Коммунарке).
О расстреле Шаховского не знали ни родные, ни друзья. Дочери, Анне Дмитриевне, сообщили, что ее отец осужден на «десять лет без права переписки» и отправлен в «дальние лагеря». Сохранялась надежда, что Дмитрий Иванович жив. В июле 1939 года Вернадский направил еще одно письмо Вышинскому, однако на сей раз тот отказал во встрече. В мае
1940 года Вернадский обратился с письмом к Берии: «Я дружен с Дмитрием Ивановичем почти шестьдесят лет – все время мы прожили друг с другом душа в душу, находясь в непрерывном, ни разу не нарушенном, идейном общении… Д.И. Шаховской – один из самых замечательных людей нашей страны – глубокий, широкого образования, искренний и морально честный демократ… Мне семьдесят семь лет – я знаю по своему, как хрупка организация стариков в зависимости от внешних условий жизни. Выдержал ли испытание организм Дмитрия Ивановича?.. Здоров ли Дмитрий Иванович Шаховской?.. Очень прошу Вас ответить мне». К письму для передачи Шаховскому в «дальний лагерь» прилагались две брошюры Вернадского, а также небольшая записка: «Мой дорогой, бесконечно любимый друг Митя, надеюсь, что эта записка и две мои брошюры дойдут до тебя. Ни на минуту не забываю тебя…» В ответ академику Вернадскому и июня 1940 года было сообщено, что Шаховской в конце января 1940 года, «находясь в одном из лагерей НКВД, умер…». При этом на письменные запросы дочери по официальным каналам продолжали приходить подтверждения, что Дмитрий Иванович жив и находится в лагере. И лишь 19 октября 1940 года семья Шаховских получила официальное извещение, в котором говорилось: «Шаховской Д.И., 1862, умер в лагере 25.1.1940 года. Причина смерти – эндокардит (паралич сердца)».
9 июля 1957 года Верховный суд СССР отменил приговор Военной коллегии Верховного суда