被告人は2つのグループに分けられた。ひとつはジノヴィエフやカーメネフら革命時代にはボルシェヴィキの最高幹部としてレーニンを補佐した大物や、トロツキーが率いた左翼反対派の構成メンバーたちを含む前述の11名。もう一方は拷問の末に「裁判で自白すれば命は助ける」といわれてジノヴィエフやカーメネフらとナチス・ドイツ・ゲシュタポの関係を「証言」させるために集められた無名の小物たち5名[注釈 2]だった。

この裁判の様子について外国人ジャーナリストたちは、歴戦の革命家のはずの大物被告たちが恐怖に震え、くぐもった声や涙声で語っていたとし、一方逆に命の保証を受けていた小物被告たちは「まるで自分の誕生日のように」嬉々とした声でナチスの「陰謀」の証言をしていたとレポートしている。結局被告人は全員が罪を「自白」することとなった。

8月24日、裁判長ウルリヒは「トロツキーと連携してセルゲイ・キーロフの暗殺を実行し、スターリンらをも暗殺しようとした」として被告16名全員に対して銃殺刑を宣告。命は助けると言われていたはずの小物被告たちは裏切られた形となった。一人を除く全員が提出した助命嘆願が却下されたのち（起訴状の中に入っていたヨシフ・ウンシュリフトによる「いかなる助命嘆願も拒否すること」という命令書が残されており、ウルリヒにより日付の記入がされている）、判決はその日の深夜2時には収監先のルビャンカで執行され、ウルリヒ、ヴィシンスキーらが銃殺に立会った（ジノヴィエフのみ、独房で抵抗したためその場で射殺されたという）。さらに9月1日には同じ事件で逮捕されていたレニングラード共産党支部の関係者5000人も全員銃殺刑に処した。スターリンの下で行われた最初の大規模な党員虐殺事件だった。また裁判中の23日、検事のヴィシンスキーは、「反ソビエト陰謀」の件でトムスキー、ルイコフ、ブハーリンらを「捜査」中であることを明かした（トムスキーは逮捕が避けられないと見て前日の8月22日に自殺していた）。これは次なる「公開裁判」と大粛清への予告であった。
第二回モスクワ裁判詳細は「第2回モスクワ裁判（ロシア語版）」を参照

ヴィシンスキーの予告通り、第二回裁判（いわゆる「17人裁判」）は早くも1937年1月23日に開かれた。併行本部陰謀事件[注釈 3][1]を裁く法廷であるとされた。今度の被告はピャタコフ、ムラロフ、ソコリニコフら17名[注釈 4]。また今回の法廷から「ソ連産業への妨害」も訴因に入り、スターリンの失政を覆い隠す意味も持つようになった。その為、トロツキーに近かった大物政治家ばかりでなく、ソ連の様々な産業セクションの現場責任者や技術者で、中央の政争とは本来無関係だった無名の者たちも多数含まれるようになった。審理も第一回と同様に進められ、やはり全員が「自白」している。「ドイツや日本の手先となりスターリンの暗殺をもくろんだ」とされ、1月29日夜までに結審。1月30日にピャタコフら13人に銃殺刑が言い渡され[2]、2月1日に執行された。ラデックとソコリニコフ、ストロイロフ、バレンティンの4名は10年間の流刑となったが、ラデックとソコリニコフの2名は翌1938年に獄中で「同房の囚人」によって殺害され、最後まで生存したストロイロフとバレンティンも1941年の独ソ戦勃発に伴い、ナチス・ドイツに白ロシア共和国が蚕食される中、NKVDの囚人虐殺（英語版）に巻き込まれる形で命を落とした。