На другому показовому процесі в Москві проти так званого «антирадянського троцькістського центру» у січні 1937 року П'ятаков «признався», що очолював троцькистів в Україні «з метою відриву України від СРСР». 30 січня 1937 Військовою колегією Верховного суду СРСР засуджений до смертної кари за ст. 58-1а, 58-8, 58-9, 58-11 Карного кодексу СРСР. Розстріляний 30 січня (за деякими даними, 1 лютого) 1937 року. Похований на Донському цвинтарі Москви.