20世纪三十年代初，陈独秀在上海被捕，一时间，“陈案”震动全国。一些极右分子呼吁国民党中央“立即处决”，他被押赴南京，如同押赴刑场，可是，他在沪宁车上，还呼呼酣睡，一时传为佳话。还有一些人感念他对新文化运动的贡献，或钦敬他在学术上的成就，或尊重他的人格，纷纷进行营救工作。这是完全抛开党派之见的了。如蔡元培、柳亚子、翁文灏、林语堂、胡适、蒋梦麟、杨杏佛……以不同的形式争取公开审理，反对暗箱操作，军法从事。宋庆龄还专程从上海到南京，对蒋介石施加压力。

在开庭时，陈发表了义薄云天、气壮山河的演说，他丝毫没有争取从宽处理的打算，而是抓紧机会进行一次政治斗争。他居然为自己建立共产党、要解放工农、要推翻反动政府的正义性作辩解。章士钊大律师义务为之辩护，多少有争取从轻的语言。陈立即说：“这话不代表我。”他以刚烈的性格，演出了法庭史上罕见的一幕。

陈被判刑13年。后减为8年。来狱中看望陈独秀的人很多，胡适和他政见不一，时有争论，但感情深厚，多次从北京来，送来吃的、用的和书籍。一次，胡适路过南京，来信说：“不及看望。”陈大发脾气，大有绝交的样子。后来胡关怀甚多，他又非常内疚。

陈托胡适设法把《资本论》译成中文，胡适认真操作，不久来信报告进展情况，叫他放心。在押期间，出版了《独秀文存》第九版。蔡元培居然为这个在押的共党要犯写序。整个出版工作都是汪原放（原中共中央出版部部长）帮助进行的。其实陈早被开除了党籍。陈在狱中最大的快乐是读书，朋友送来一批小说，他没有兴趣，而是认真研读马恩、托洛茨基和经济学、历史、文字学等书籍。

抗日战争爆发后，日机经常轰炸南京，陈独秀那间牢房的房顶被炸塌了，他躲在桌下，幸免于难。后来日寇兵临城下，蒋介石想放陈出去，要求其写一书面检查。陈坚决拒绝。蒋很尴尬。胡适出使美国，临行时致函蒋氏，吁请释放陈独秀。这给蒋一个台阶，送胡一个人情。

陈出狱，陈果夫、陈立夫立即宴请。他们传达蒋介石的意见：聘请陈出任劳动部部长之职。陈独秀即席发言：“……他叫我当部长是假，叫我点缀门面是真。他杀了我们多少同志，包括我的两个儿子，把我关了许多年……这不是异想天开吗！但是，今天国共合作抗日，在抗日的工作上，我可以和蒋先生合作。”

胡适邀请陈独秀赴美，进行著书立说。他认为此时前去是不光彩的，对胡的从政也很不快。

南京沦陷前，陈独秀来到武汉，董必武前来拜访，并对他说：“鄙人受中共中央之托，专程而来，欢迎你回党工作。”要求他写个书面检讨。陈说：“回党工作是我所愿，惟书面检讨，碍难从命。”又说：“时至今日，谁有过，谁无过，在未定之数，有什么好写呢！”

当时，他演说、撰文，大声疾呼团结抗日，强调“国家利益高于党派利益！”康生忽在《团结》周刊上，说陈是日本特务。武汉大学校长王星拱等九位知名人士在三家报上撰文，为他辩诬。沈钧儒先生在《大公报》上发表文章，为陈不平。一些居心不良之徒起哄，破坏团结抗日的局面。周恩来多次托人请陈独秀以大局为重，进行克制。徐特立老还从长沙来武汉“调解”。陈很感动。徐宣称：“问题解决了。”陈尊重周恩来和徐老，但说：“我看永无解决之一日。”

陈独秀树大招风，各色人等不断来访，还有国民党特务监视，深感武汉是是非之地。加以日机不断轰炸，他们在友人的帮助下，西去重庆。又上溯90公里到达江津县。后来，陈独秀又离开江津县城这个大量难民涌入的嘈杂之地，到了山村鹤山坪，这是一个四周高山林立，人迹罕到的地方。

没有想到，陈独秀到了哪里，哪里就成了国人注目的去处。许多北大校友来看望老师，一些人要资助生活费用，如罗家伦、朱家骅等等，陈独秀对所有在国民党政府任职者，分文不收，尽管他们说这是学生对恩师的心意。陈说：“你们的心意我理解，但我收了之后，话就说不清楚了。”

周恩来也曾前来拜访。他说：“你这儿太苦了，还是到延安去吧。”陈说：“回党工作是我所愿。但是，我不会被别人牵着鼻子走的，何必以后再搞得不欢而散呢。”周只说：“我驻重庆，到重庆有什么事，我负责安排。”陈和周相处已久，对周善于处理问题，待人宽厚，从来欣赏和感谢。

陈独秀做得认真，所以晚景凄苦，常常无米下锅。看到一些农家贫困，更为不安，总是说：“建设共产党，就是为了他们，可是现在……”

由于贫病交加，陈独秀亡故于1942 年5月27日，享年63岁。