Зная, как работают мастера заплечных дел с Лубянки, Дмитрий Матвеевич сразу стал сотрудничать со следствием и дал все показания, которые от него ожидали. Сознался в шпионской и террористической деятельности; надеясь максимально оттянуть час расплаты, согласился стать внутрикамерным осведомителем. Его подсаживали в камеры к самым важным для НКВД арестантам, дабы эрудированный и разговорчивый Дмитриев побуждал сокамерников «разоружиться» и прекратить запирательство.
Свою стратегию выживания Дмитрий Матвеевич, по-видимому, строил на том, что в какой-то момент его сотрудничество будет оценено должным образом и он получит шанс если не на полное оправдание, то хотя бы на смягчение приговора. План был отнюдь не плох, из ставших ныне известными документов видно, что активной провокаторской деятельностью многие осужденные на смертную казнь не раз отводили от себя смерть. Яркий тому пример – судьба Михаила Ивановича Баранова, начальника Санитарного управления РККА в период с октября 1928 по август 1937 г. После ареста и скоротечного следствия его пять раз включали в расстрельные списки, утверждавшиеся членами Политбюро, но Баранов оставался жив, поскольку оказался весьма результативным внутрикамерным осведомителем (лишь после того, как его в пятый раз приговорили в марте 1938 г. к высшей мере наказания, Баранов был, наконец-таки, расстрелян). Дмитриев, занимая пост начальника УНКВД по Свердловской области, лично дважды сохранял жизнь приговорённому к расстрелу ценному агенту Ельковичу, редактору областной газеты «Колхозный путь», выдавшему более 140 человек. Несмотря на двукратное осуждение на смертную казнь, Дмитриев спасал Ельковичу жизнь и даже распорядился выплачивать ценному агенту деньги, дабы тот мог покупать вещи и продукты питания на воле. По иронии судьбы Елькович пережил своего благодетеля Дмитриева, дождался замены высшей меры наказания тюремным заключением и в конечном счёте дожил до реабилитации.
Несмотря на готовность к всемерному сотрудничеству, интерес следователей к Дмитрию Матвеевичу довольно скоро пропал, и уже 7 марта 1939 г. Дмитриев предстал перед Военной коллегией Верховного суда СССР, чей приговор к высшей мере наказания был очевиден и неизбежен. В тот же день Дмитриев был расстрелян.
Чтобы придать этой невесёлой картинке законченность, добавим, что в скором времени отправились в руки лубянских «кольщиков» и разоблачители Дмитрия Дмитриева. 9 ноября 1938 г. – менее чем через 5 месяцев – дверь каземата захлопнулась за Ефимом Георгиевичем Евдокимовым, а 30 декабря был снят с должности первый секретарь Свердловского обкома партии Константин Николаевич Валухин. Арестовали его чуть позже, в мае 1939 г. Новый начальник Управления НКВД по Свердловской области Михаил Викторов, так хорошо подсуетившийся со сбором компромата на Дмитриева, тоже не успел состариться на рабочем месте, его арестовали в здании обкома партии 22 января 1939 г. В отличие от Евдокимова и Валухина их ставленник Викторов избежал расстрела, его приговорили к 15 годам лагерей, где он и умер в июле 1950 г.