在审判之前，法院方面曾问陈独秀是否请律师，陈独秀答以无钱可请，并表示可自己为自己辩护。但章士钊愿义务为陈独秀出庭辩护。章氏其时是名闻全国的大律师，寻常案件，即以高酬奉请，也难得应允。章与陈虽是留日时代的好友，但后来在政治观念和文化观念上都属于敌对阵营，且都是各自阵营的代表性人物，相互也打过笔仗。章氏此次挺身而出，时人称之为“有古义士之风”。但对章士钊力图为陈独秀开脱“罪责”而发表的辩护词，陈独秀却并不全部认可，并当场反驳章士钊。任卓宣在《陈独秀先生的生平与我的评论》中说：“他（陈独秀）无钱请律师，亦不愿请律师。章士钊当时愿意为他任义务律师。他作的辩护，说陈先生是站在三民主义立场上的，言行均于三民主义符合，并不违法。陈先生即刻声明：章之意见，是他从法理上说的，与他本人的政治观点不符。论之者说：这‘不但表示陈氏政治风骨嶙峋，亦为法庭审讯史上的新记录’。”濮清泉在《我所知道的陈独秀》中叙此事更详。章士钊在辩护词中说：“本法庭总理遗像高悬，国人奉为国父，所著三民主义，党人奉为宝典，总理有云：‘三民主义即是社会主义’，亦即共产主义。为何总理宣传共产，奉为国父，而陈独秀宣传共产主义即为危害民国耶？于法于理能服人乎？……为保存读书种子，余意不惟不应治罪，且宜使深入学术研究，国家民族实利赖焉……总上理由，本律师要求法院宣判独秀无罪。”听到章士钊把自己的政治信念与国民党的三民主义挂上钩，陈独秀急了，“陈独秀当庭发出声明：‘章律师辩护词，只代表他的意见，我的政治主张，要以我的辩护状为准。’旁听席上有‘革命家’‘革命家’的赞声。”陈独秀也在法庭上宣读了自撰的辩诉状。从作文之道上说，这篇辩诉状可谓典范之作，逻辑严密却又大气磅礴。陈独秀以这样一段话开始自己的辩诉：“予行年五十有五矣。弱冠以来，反抗清帝，反抗北洋军阀，反抗封建思想，反抗帝国主义，奔走呼号，以谋改造中国者，于今三十余年。前半期，即五四以前的运动，专在知识分子方面；后半期，乃转向工、农劳苦人民方面。盖以大战后，世界革命大势及国内状况所昭示，使予不得不有此转变也。”辩诉状大体以文白夹杂的语言写成，陈独秀说非如此不足以表达自己的心情。陈独秀的辩诉状和章士钊为陈独秀所作的辩护词，在当时是轰动全国的名文，各大报纸都想刊载，但遭到国民党当局的禁止，只有天津的《益世报》在当时刊载了全文。上海的沪江大学、苏州的东吴大学还将陈、章的辩诉状作为法学系的教材。这两所学校因为是教会学校，才敢如此“放肆”。
审理结果，陈独秀被判有期徒刑十三年，后经上诉，改判为八年。在狱中，陈独秀潜心研究文字学。这并非是为了消磨时光，也是与他的社会理想紧密相关的。濮清泉在《我所知道的陈独秀》中说到陈独秀的狱中生活时，写道：“他对文字学最有兴趣，成天埋头研究《说文》。据他说从文字的形成和发展，可以看到社会和国家的形成和发展。”在狱中陪同在陈独秀左右的濮清泉还写下过这样一件趣事：“关于研究文字学，有一段笑话，江苏南通有一位姓程的老先生也是小学家，因慕陈独秀之名，来到监狱里看他，两人一见如故，初期互道钦佩，中期交换著作，也互称对方有卓见，后期争论起来，闹到面红耳赤，互斥浅薄，两人都高声大叫，拍桌对骂，幸而没有动武。原因是，为了一个‘父’字，陈独秀说父字明明画着一个人，以手执杖，指挥家人行事。而那位程先生说，父字明明是捧着一盆火，教人炊饭。陈说你不通，程说你不通；陈说你浅薄，程也说你浅薄。我好不容易把他俩劝开，说学术讨论应心平气和，不应发火，我诌了几句打油诗嘲讽他俩：‘一曰执杖一曰火，二翁不该动肝火。你不通来我不通，究竟谁人是浅薄。若非有我小濮在，遭殃不只是板桌。异日争论平心气，幸勿动怒敲脑壳。’程老先生笑了，陈独秀骂我‘你这小鬼浅薄’，‘我要敲你脑壳’。”然而，“隔了一会，陈独秀又和程老先生和好了。他写了一封信给罗家伦（时任中央大学校长），推荐程老先生教文史，罗家伦以程老先生迷信鬼神而拒绝了”。
西安事变爆发后，陈独秀在狱中闻讯大喜，以为蒋介石此番定“难逃活命”。然而，十多天后，陈独秀等在梦中被爆竹声惊醒，这一夜，南京城爆竹声通宵达旦，原来是市民庆祝蒋介石平安归来。有人告诉他，这爆竹可能是警察下令放的，陈独秀则说：“下命令放的，最多放个把小时，昨天放了一夜，能说是命令的作用吗？”①
①见濮清泉《我所知道的陈独秀》。
1937年7月7日，卢沟桥事变爆发，日寇开始全面侵华。8月15日，日军飞机开始对南京进行大规模轰炸。有一天，炸弹落到了囚禁陈独秀的老虎桥监狱，陈独秀及时躲到床底才免受伤害。也就在这一天，原北京大学学生、时任金陵女子大学中文系主任的陈中凡先生来探望陈独秀，见此情景，陈中凡回去后即与正在南京参加会议的胡适和张伯苓（时任南开大学校长）相商，谋求当局提前释放陈独秀。据陈中凡在《陈仲甫先生印象记》中说，当时国民党方面暗示陈独秀“只要本人具悔过书，立即释放”，陈独秀则愤怒地表示：“我宁愿炸死狱中，实无过可悔。”并声明“不要人保”，“附有任何条件，皆非所愿”。①但陈独秀的友人们仍积极为其奔走，以胡适最为尽力。胡适其时刚被蒋介石委以重任，即以非官方身份赴欧美访问游说，揭露日军侵华暴行，同时争取各民主国家对中国的同情与支持，可谓受命于危难之时。出国在即的胡适致函其时在国民政府中握有重权的汪精卫，请汪与蒋商量，提前释放陈独秀。汪精卫于8月19日复函胡适，告知“已商蒋先生转司法院设法开释陈独秀先生矣”。8月21日，司法院便向国民政府主席林森呈递了“请将陈独秀减刑”的公文，国民政府当即批准。8月23日，陈独秀出狱，先住在傅斯年家，后因傅宅附近也屡遭空袭，又住进了陈中凡家。9月8日，胡适也离开南京，踏上了征程。顺便说一句，从陈独秀第二次被捕起，此后的每次入狱，胡适都积极参与了营救。
①转引自唐宝林等编《陈独秀年谱》。
陈独秀出狱后的第一件事就是致函《申报》编辑部，为自己辩诬。原来，司法院在给国民政府的呈文中，有陈独秀“爱国情殷，盖深自悔悟”之语，《申报》发表了此呈文。陈独秀于8月25日致函《申报》道：“鄙人辛苦狱中，于今五载。兹读政府明令，谓我‘爱国情殷，深自悔悟’。爱国诚未敢自夸，悔悟则不知所指……我本无罪，悔悟失其对象；罗织冤狱，悔悟应属他人。鄙人今日固不暇要求冤狱之赔偿，亦希望社会人士，尤其是新闻界勿加以难堪之污蔑也。”
不久，陈独秀离开南京到了武汉，1938年7月又到了四川，最终在四川江津定居。1942年5月27日夜，陈独秀在江津辞世。社会各界闻讯都发表悼念文字。陈独秀卧病和辞世期间，共收到各界人士捐赠的医药费和赙仪费法币33750元。
如今，我常在沪宁线上行走。坐在火车上，我仿佛仍能听到陈独秀当年留下的鼾声。那一夜，在押送陈独秀的火车上，发出鼾声的一定不只陈独秀一人，但其他的声音都随风而去，独有陈独秀的鼾声至今仍清晰可闻。这鼾声告诉我，这个人尽管在政治信念和个人生活上都可挑出或大或小的毛病，但在胸怀坦荡上却少有人可与之相比。这是一个通体透明的人，一个不知阴谋诡计为何物的人，一个喜怒不屑于藏于心的人。这鼾声也在告诉我，什么叫大英雄，什么叫真豪杰。
