1933年3月，中共中央决定派陈赓到江西省中央苏区工作。离开上海的前一天，他到贵州路丽都大戏院去，在那里遇见了一个绰号“小白脸”叫阿连的叛徒，该人原是上海先施公司的学徒工，曾参加过特科工作。见到陈赓就急忙上前拉话，陈赓敷衍了几句，就托故向外走，想把叛徒甩掉。如果陈赓还有“黄埔三杰”时那两条健康的有名的腿，在苏联又专门学过摆脱“盯梢”的技术，和在特科工作时的若干实践，遇见这么个小瘪三算得了什么？但他现在两条腿都负过重伤，并且右腿才将痊愈，功能远未恢复，所以跑了一阵终于无法甩掉这个“尾巴”，就躲在弄堂里，等其追过来，跳出去三拳两脚就把“小白脸”打成了个大花脸，翻倒在地，正想逃走时，躺在地下的叛徒不仅大喊大叫“捉共匪！”还“嘟嘟嘟”地吹起哨子来，附近巡捕闻声赶来，把腿伤初愈的陈赓抓住了。
戴其萼和彭一坤回忆陈赓在1949年曾亲口和他们讲过这件事。他们在《陈赓大将在解放战争中》一书中写道：
出院后，党决定我到江西苏区去做军事工作，离开上海的前一天晚上，我去找黎莉莉看她有什么话捎给她父亲。那天，她和王人美等人正在上海租界里的丽都大戏院演唱爱国歌曲。她的父亲就是我们党内有名的钱壮飞同志，曾打入蒋介石的机要部门工作，有贡献。顾顺章叛变的消息就是他首先掌握并报告了党的，在周恩来同志的指挥下，中央机关迅速转移才免遭破坏。但钱壮飞同志也因此在白区待不住了，就转移到江西苏区去了。他的小女儿钱臻臻因父母都参加革命不能照看她，很小就参加了黎锦晖的明月歌舞社，并改名黎莉莉。
为此事，戴其萼曾写信问黎莉莉，黎莉莉在1983年10月16日复信说：“1957年我在北京电影学院向苏联专家学习表演2年，在毕业演出时我约请了陈赓伯伯看演出，他对我说：‘1933年我因看你演出被逮捕，今天我已是自由人，再没人敢逮捕我了。’”
关于被捕后的情况，陈赓在1944年渡江前，自己也有叙述：
……我被关进附近的“老闸捕房”，有个探长我熟识，也同情我们党，便把我被捕的消息告诉了党。
工部局英国特务兰普逊提审我，我口衔香烟不理他，他追问，我就用洋泾浜英语骂他，气得他暴跳如雷，竟打了我一个耳光。过了两天，他又来找我，表现很客气，说：“陈先生，我们对待政治犯一向很文明，你有什么要求可以提。”我心想他又要耍什么花招了，没理他。没过多久，管监的人把我带出去说有人要见我。我出去一看，原来是孙夫人宋庆龄，还有中外记者。
“监狱待你怎么样？”孙夫人问。
兰普逊抢先回答：“我们一向优待政治犯。”
“他们虐待政治犯，还打人骂人。”我揭露道。
兰普逊还在狡辩：“陈先生可别这样说，我们可不虐待政治犯。”
我说：“就是你打了我的耳光，我表示强烈抗议！”
“大家都听到了！”孙夫人说，“公共租界巡捕房虐待政治犯，请新闻界主持正义。陈赓不是犯人，是爱国者，他拥护中山先生的三大政策最坚决。我要求释放他！”
此后，宋庆龄又探过一次监，还在报纸上发表了公开声明，积极进行营救。
和陈赓差不多同时被捕的谭国辅（化名陈藻英，被称作陈赓的妹妹）告诉他：陈赓这次在上海的住处，早就被巡捕房知道了，并进行了监视，他所以没有早一点被捕，是因为那些人还想从他身上“钓”出大“鱼”来，就是希望能抓到更多的共产党人。他在戏园被捕，可能是特务们怕他逃走所致。
陈赓在上海做地下工作时，常与租界里的巡捕和国民党的特务打交道，拉关系，为情报工作取得方便。所以他被捕后，被送到巡捕房，那些巡捕都大吃一惊，困惑地说：“你怎么是陈赓？你不是王庸先生吗？”
巡捕房抓住陈赓如获至宝，想从他口中了解共产党的秘密机关和其他党员的住址，但陈赓坚贞不屈，从他口中挤不出任何有用的东西，正准备对他施以毒刑逼供时，宋庆龄率领中国民权保障同盟的杨杏佛等人和新闻记者来探监和采访了，制止了租界当局的进一步迫害行动。陈赓就趁机对同牢的难友和看守进行宣传，讲述红军的英勇战斗故事和革命道理，教育和鼓舞狱中的战友不要泄气，要团结起来进行反对虐待的斗争。
廖承志谈到他1933年3月第五次被捕时，和罗登贤、陈赓等人被关在老闸捕房的半地下室的拘留所内，“约定要一口咬定，我们是援助东北义勇军的。此外，啥也不谈。陈赓则慷慨激昂，大唱国际歌”。第二天，敌人“问话完毕，回到拘留间，中间的那个人凑巧不在，这时陈赓出个主意，要我赶快设法通知我母亲，把事情闹得越大越利于斗争。我想这也对，登贤同志也赞成”。“当夜，我便把这主意付诸实行，我对看守的巡捕说，告诉他们我带路……一群英国特务来了笑眯眯的，如获至宝。一个年纪大的特务问是去什么地方，我回答说：‘相信我，就跟我走，不相信，我回去。’另一个特务说：‘由他，他似乎还不错。’一共七八个人，簇拥上了两辆汽车。我上了汽车，用扣着手铐的手指点方向，向左、向右，上海的路我是熟的。开入法租界，特务问：‘这里？’我不出声。仍旧是向左，向右（指着）。到了康脑脱路我母亲住的地方，便说：‘停车’。他们面露喜色，蜂拥而下。这时我才知道英租界和法租界是互不通气的，以至英国特务连我母亲住的地方也不知道！一进门，我母亲立即起来，看见我手上有手铐，她就全都明白了，顿时大嚷起来。这时住在母亲隔壁的经亨颐先生也过来了，还是小姑娘的经普椿也来了。那时法租界的捕房头子也赶来了，一个当法文翻译的中国人看见我母亲吓了一跳，赶快同那头子咕哝了一阵，那头子脸上一下变了色，立即下令全部退出。我的目的达到了。回到汽车上，那个老特务狠狠地揍了我几拳，还打我的耳光。另一个把他制止了，狠狠地直瞪着我，知道上了我的当了。回到拘留所，我们再不怕中间的那个人了，便大声告诉了登贤和陈赓，他们大笑起来。陈赓还在为我打气：‘你要顶住，还有孙夫人哩。’”[廖承志：《我的缧绁生活》，《廖承志文集》（下卷），人民出版社1990年版，第441—443页。]
从廖承志描述的故事中，可以看出陈赓身处逆境忠贞不屈、机智勇敢的精神风貌。
1933年3月31日租界里的第二特区法院举行了一次审判，除陈赓“兄妹”外，还有廖承志、罗登贤等一起接受审判。法庭不顾被告律师义正词严的辩驳与抗议，只凭几个奸细、叛徒的瞎说，没有任何证据，法官就宣布把廖、罗几个引渡给上海市国民党警察局了。国民党的警察就把他们带走了。
接着审理陈赓“兄妹”一案。在1933年4月13日上海出版的《中国论坛》第二卷第四期上报道：
陈赓及陈藻英案开庭的时候，法官、（国民）党部代表，捕房律师又各坐原位，谁也不响。陈赓说他从东三省回来不久，正在找职业。于是另一个有名的告密专家，他说他认识陈赓并且于1926年曾与陈赓在共产党共事。毫无书面证据，就由这奸细指认了陈赓为江西红军的军长。
辩护律师指出陈藻英与陈赓毫无有关系的证据，而对陈赓本人亦没有丝毫证据，法官、党部代表及捕房律师死死地静听着。又一次休息（指法官站起来，走到后面去商量，五分钟后再出来，）又一次宣告。（国民党）警察局又载着牺牲者而去。
这场审判演出的第二天，宋庆龄即发表声明怒斥蒋介石与帝国主义勾结所犯下的罪行，她说：“这些爱国罪犯的被捕事件只是蒋介石政府所奉行的政策的另一个例证而已；这种政策已使今日中国濒于全部分裂，沦为帝国主义属国的境地。国家情势是如此的危急，我感觉到我有责任再一次号召中国广大人民起来斗争。”到了上海国民党的“会审公堂”，陈赓和廖承志、罗登贤等人表现出对敌人无比蔑视，高唱《国际歌》，高呼“打倒国民党反动派”等口号，并慷慨陈词，痛骂国民党反动派压迫人民，杀害革命者及丧权辱国、投降帝国主义的种种罪行，为共产党和自己所从事的光荣而伟大的事业进行辩护，在敌人的恫吓及酷刑面前，表现出了大无畏的英雄气概。
在监狱中，敌人怕陈赓逃跑，把他单独铐在一根铁柱子上。
接着顾顺章跑来劝降，说了一顿什么“中国革命已经失败”、“共产主义不适合中国国情”等鬼话；还说有些共产党员投降后，都得到蒋委员长的宽恕；还说蒋介石已经从江西省打来电报，叫给陈赓“特殊待遇”，并问“你听了一定高兴吧？”等等。陈赓大骂：“你是叛徒，快给我滚开！我就是死，也不会像你那样无耻！”并把顾顺章送来的吃食和水果用脚踢开。
第二天，陈赓就被押解到南京去，因为知道他会武功，怕他半路逃走，敌人就拿来一条铁链子，把化名“陈藻英”的谭国辅和他锁在一起，送上一辆戒备森严的铁闷子车。他们俩就一路唱着革命歌曲到达南京。
火车一到站，国民党宪兵司令谷正伦就拿着蒋介石的电报给陈赓看。他不看，谷正伦就念给他听，大意是：由于陈赓在广东和北伐期间的历史，要尽量给他照顾，以便他悔过自新，将给予重用等。
陈赓被押进夫子庙宪兵司令部，解了镣铐住进一个漂亮房间，并得到好饭好菜吃。这时，一些黄埔军校的同学和学生都先先后后地来看他，故意穿着金光闪闪的将军制服在他面前炫耀，想引起他的羡慕之心而动摇自己的信念。他们告诉陈赓，蒋介石不会杀黄埔的学生，劝他回心转意，还有人问：“红军那种苦生活你受得了？”
陈赓则“顾左右而言他”，给他们讲红军怎样捉国民党将领赵冠英、岳维峻等的故事，并谴责国民党卖国求荣的政策等。
谷正伦感到他的努力完全是枉费心机，恼怒之余，显露出了刽子手的真面目。重新把陈赓铐上，送进牢房关了起来。
牢房很暗，只在门上设了个可以看出去的小孔；屋角有个没有盖子的马桶，散放着臭气。正式审讯，主审官就是顾顺章。顾顺章还是对他讲什么“共产主义不可能在中国胜利”等鬼话，叫他承认“错误”；叫他供出共产党在国民党和军队内部的组织和活动情况；还拿了几个叛徒的口供给他看，叫他仿效这些人一样的招供。陈赓把那些东西都扔到地下用脚踩，并大声喊叫：“叛徒滚蛋！”
陈赓被押解到南京的消息，被宋庆龄、蔡元培等人知道了，立即联名打电报给南京国民政府行政院长汪精卫、司法部长罗文干，要求释放陈赓。4月5日，宋庆龄还亲自到南京找蒋介石说：“陈赓在东江之役一直跟着你打仗，谁不知道，你打了败仗，是他救了你一命，不然你也活不到今天。现在你要杀他，你天天讲的礼义廉耻到哪里去了？”宋庆龄又找汪精卫，再次提出释放陈赓等人的要求。接着又到监狱探望陈赓，还带着一些新闻记者。
监狱当局听说“国母”宋庆龄大驾要来视察，急忙给陈赓换了个宽敞而干净的房间，换了新囚衣，还做了一些虚假的布置。据当时报纸的报道说：宋庆龄到了监狱，不及休息，就问：“陈赓在哪里？我是来看他的。他是我的老朋友，孙中山先生活着的时候也很喜欢他。东征时，他救过蒋总司令的命。人哪，可不能没有良心。”记者也写到了陈赓的情况：“陈赓是独自在一间牢房里，脸上长了一层胡子……他那黑眼从孔中闪着光出来。”
陈赓见到宋庆龄，就大讲监狱里的黑暗和残暴，及自己受到的拷打和非人待遇。当场揭露，为了这次接见，才把他搬到这里换上干净囚衣等。在探望中，宋庆龄还巧妙地为中共党组织秘密送交一张字条给陈赓。
宋庆龄一走，愤怒的监狱当局，立即把陈赓关在一间又脏又暗的牢房中，屋里散发霉臭的味道。陈赓进去什么也看不见，看守开灯之后，才看见地下有一堆白骨……但这些怎么能吓倒陈赓呢？他坚持和他们斗争：监狱规定，放风时不准说话，陈赓在放风时却总是大声说话，高声喊叫，故意讲给狱中的其他同志听，鼓励大家的斗志。
同时，陈赓还尽力争取看守人员。22岁的青年看守班长张良诚，是个孤儿，有同情心，陈赓和其他被捕的共产党员都尽量找机会接近他，教育他，终于把他争取过来，他能秘密地为政治犯传递消息，并把某些人的叛变行为告诉他们。女政治犯黄海明带着才出生4个月的女儿坐牢，张良诚常抱着小女孩到各号子去转，人们就利用亲孩子的机会往孩子衣服里塞字条、传消息。陈赓后来离开这所监狱时，曾托张良诚给生病的黄励送5元钱和一个字条，被叛徒告发，张良诚遭逮捕后被杀害。
陈赓在狱中，认为自己再无生还的希望，只是由于宋庆龄和社会进步人士的营救，国民党反动当局才没有敢对他骤然加害。
