По-видимому, Сталин понимал, что Тухачевский, как военный теоретик и организатор, намного талантливее Ворошилова. По крайней мере, в их противостоянии он решил временно поддержать Тухачевского. В 1931 г. генсек назначил Тухачевского начальником вооружений Красной Армии, а вскоре сделал его заместителем председателя Реввоенсовета и наркома по военным и морским делам. После этого Тухачевский получил возможность провести некоторые из задуманных им преобразований.
Основные положения программы реформ были изложены им в рукописи «Новые вопросы войны», начатой еще в Ленинграде весной 1931 г. Наряду с некоторыми очевидными ошибками в этой работе можно найти множество удивительно точных прозрений. Тухачевский был горячим сторонником наступательной стратегии. Красная Армия, по его мнению, должна была стараться упредить вероятного противника и нанести опережающий удар. То есть Тухачевский был за войну на чужой территории и с наименьшими потерями, а для этого предполагал как следует обучить бойцов и командиров и насытить армию вооружением и техникой. Он не только был абсолютно точно уверен, что в будущей войне танки и авиация сыграют решающую роль (это понимали в начале 30-х гг. уже многие военачальники), но и предсказал многие конкретные особенности применения этих новых грозных видов вооружений. Будущая война, писал уже в начале 20-х гг. Тухачевский, не будет войной позиционной. Это будет война маневренная. Стремление к решительным столкновениям потребует смелых, плотных группировок на решающих направлениях.
Прорвав оборону врага, они должны будут стремиться к поражению боевых порядков противника на всей их глубине. Роль ударных таранов при этом отводилась мощным танковым соединениям, обеспечивающим при поддержке авиации быстрое продвижение пехоты. Тухачевский предвидел, что управление таким «глубоким сражением» таит в себе огромные трудности и потому постоянно ставил вопрос о развитии самых разнообразных средств связи, в том числе радио. Но чисто количественное наращивание танков, самолетов и других видов вооружений — только половина задачи. Тухачевский подчеркивал, что «глубокий бой» требует очень сложного взаимодействия между различными родами войск ~ авиацией, танками, пехотой, артиллерией, которое может быть достигнуто только постоянными широкомасштабными учениями в условиях, максимально приближенных к боевым. (06 этом было забыто после смерти Тухачевского, в результате чего Советский Союз перед началом Великой Отечественной войны имел огромное количество танков и самолетов, но очень мало действительно хороших военных специалистов, способных ориентироваться в сложных условиях современного боя.) Тухачевский возражал против громадных затрат на развитие морского флота, справедливо указывая, что для СССР флот в будущей войне будет иметь лишь вспомогательное значение. Он предлагал основное внимание уделить не строительству дорогостоящих линейных кораблей, а развитию более дешевой морской авиации и береговой артиллерии. Тухачевский проявил большой интерес к ракетной технике и добился создания Ракетного научно-исследовательского института. Он сразу оценил значение радаров. Вместе с тем Тухачевский явно преувеличивал значение в будущей войне авиадесантных войск, которые, по его мнению, должны были решать оперативные и даже стратегические задачи.
Вследствие этого в Красной Армии создавались перед войной целые десантные корпуса, которые, однако, использовались впоследствии как обычная пехота.
В середине 30-х гг. военная карьера Тухачевского продолжала успешно развиваться. В 1935 г. он вместе с Ворошиловым, Буденным, Егоровым и Блюхером был удостоен высшего воинского звания — Маршал Советского Союза, а через год стал первым заместителем наркома обороны. Однако этого ему было мало — Тухачевский не скрывал своего критического отношения к Ворошилову и считал себя наиболее подходящим человеком на пост наркома обороны. Он не сомневался, что в ближайшее время сможет занять его. Однако в действительности события приняли иной ход, и своими амбициями Тухачевский только ускорил свой конец. В его нападках на Ворошилова Сталин увидел угрозу для себя лично. Судьба Тухачевского была решена. Летом 1936 г. начал раскручиваться политический процесс против высшего командования Красной Армии. Были арестованы комкоры Примаков, Путна и некоторые другие. В мае 1937 г. гроза разразилась над самим Тухачевским — его неожиданно сняли с занимаемого поста и назначили командовать второстепенным Приволжским военным округом. (Поводом послужил арест его любовницы Юлии Кузьминой, которую обвинили в шпионаже в пользу Германиии.) Через несколько дней после переезда в Куйбышев Тухачевского арестовали. (В то же время в тюрьме оказались такие видные военачальники как Фельдман, Якир, Уборевич, Эйдеман.) Его обвинили в связи с германской разведкой и в подготовке военного переворота. Сначала Тухачевский пытался отрицать свою вину, но уже через несколько дней под давлением следователей сломался и признал все возводимые против него обвинения. 11 июня его дело на закрытом заседании (без участия обвинения, защиты и свидетелей) рассматривало Специальное судебное присутствие Верховного суда СССР. Тухачевский (как и другие военачальники, проходившие по этому делу) был приговорен к расстрелу. На другой день приговор привели в исполнение.