Fellépett a szovjet csapatok távozásáért, deklarálta a többpártrendszer bevezetését, majd november 1-jén Magyarország kilépését a Varsói Szerződésből és az ország semlegességét. November 4-én hajnalban drámai rádióbeszédben jelentette be a szovjet inváziót, majd több társával a jugoszláv követségen kért menedékjogot. November 22-én Kádár János menlevelével elhagyták a követséget, de ezután a szovjetek őrizetbe vették őket, majd a romániai Snagovban "házi őrizetbe", fogságba kerültek. A tisztségéről lemondani nem hajlandó Nagy Imre nem egyezkedett az új rendszerrel.

1957 áprilisában hozták Budapestre, ahol 1958. február 6-án, a nyilvánosság teljes kizárásával bíróság elé állították. A vádlottakkal - Nagy Imre, Donáth Ferenc, Gimes Miklós, Tildy Zoltán, Maléter Pál, Kopácsi Sándor, Király Béla, Szilágyi József, Jánosi Ferenc, Vásárhelyi Miklós - szemben a vádpontok a következők voltak: a népi demokratikus államrend megdöntésére irányuló szervezkedés kezdeményezése és vezetése, hazaárulás, a szocialista államrenddel szembeni fellépés, ellenséges politikai csoportosulás létrehozása. A zárt tárgyalás ellen Nagy Imre tiltakozott, de ezt a bíró, Vida Ferenc elutasította.

A minden együttműködést megtagadó, nyílt tárgyalást követelő Szilágyi József ügyét elkülönítették és 1958. április 22-én halálra ítélték, két nappal később kivégezték. Losonczy Géza, Nagy Imre államminisztere a börtönben éhségsztrájkba kezdett és 1957 végén máig tisztázatlan körülmények között meghalt.

A többi vádlott pere június 9-én folytatódott. Június 15-én a Legfelsőbb Bíróság Vida Ferenc vezette Népbírósági Tanácsa Nagy Imrét halálra és teljes vagyonelkobzásra ítélte. Donáth Ferencet, az MSZMP Ideiglenes Intéző Bizottságának volt tagját 12 évi börtönre, Gimes Miklós újságírót halálra, Tildy Zoltán volt köztársasági elnököt, a Nagy Imre kormány államminiszterét 6 évi börtönre, Maléter Pál honvédelmi minisztert halálra, Kopácsi Sándort, a nemzetőrség helyettes parancsnokát életfogytiglani börtönre, Jánosi Ferencet 8 évi, Vásárhelyi Miklóst, a kormány sajtófőnökét 5 évi börtönre ítélték.

Másnap hajnalban a Gyűjtőfogház udvarán kivégezték Nagy Imrét, Maléter Pált és Gimes Miklóst, a holttesteket előbb a börtön udvarán földelték el, majd 1961-ben az Új Köztemető 301-es parcellájának egyik jeltelen sírjába temették, a nyilvántartásba hamis neveket jegyeztek be.

A holttestek kihantolása és azonosítása 1989 márciusában kezdődött meg, Nagy Imre és társainak 1989. június 16-i újratemetése a rendszerváltás jelképes eseménye lett. Nagy Imrét, Gimest, Losonczyt, Malétert és Szilágyit 1989. július 6-án a Legfelsőbb Bíróság felmentette az 1958-as vádak alól. 2008. június 9-én megkezdődött az ötven évvel korábbi koncepciós per hanganyagát tartalmazó felvétel egy hétig tartó nyilvános lejátszása a Nyílt Társadalom Archívum és az 1956-os Intézet szervezésében Budapesten.