9月20日開始，最高法院對周佛海進行了審訊。
最高法院院長金世鼎和高等法院檢察官陳繩祖親自審理周案。金、陳都是當時有名的刀筆吏，他們也都認為，根據掌握的證據，周佛海是非死不可的。
10月7日，最高法院在南京夫子廟開庭審理周佛海。
周佛海請了3位當時很有名的大律師為其辯護。法庭上，周對自己策劃投敵的陰謀活動，矢口否認，不認為自己在汪偽政府任職，是賣國的漢奸行為。對其在汪偽政府中的活動，也是輕描淡寫，遮遮掩掩。而對自己如何找老蔣“自首”，如何效命，卻不厭其煩，敘述得十分詳細。他還拿出戴笠寫給他的親筆信為據，表明自己是為重慶做事的。
蔣介石最怕別人指責他在抗戰時期與漢奸暗中往來，周的所作所為，正好犯了蔣的忌諱。
11月7日，最高法院判處周佛海死刑。
周佛海不服判決，提出抗告。最高法院駁回抗告，核准原判。周佛海的妻子楊淑慧再一次呈請高院再審，經審判長、推事商裁，又一次駁回了楊要求再審的申請。
戴笠生前曾對周佛海拍過胸，說已得到蔣介石的批准，保證周的身家性命安全。可是如今，法院一再駁回申請，維持原判，這使得周佛海陷入了絕望的境地。
周佛海知道大限已到，隨時都有被提出去執行死刑的可能。所以，每當監獄里法警走動，人聲嘈雜，周就以為是來提他行刑，驚恐萬狀。
所有的法律程序都已進行完畢，周佛海要想活命，只有蔣介石的特赦令才能夠救他。
楊淑慧一見到蔣介石，就長跪在地，抽泣不止。蔣介石皺著眉頭，思索良久，以低緩的語調說：起來，安心回去吧，讓他再在里面休息一兩年，我會讓他歸來的
當周佛海在監獄里坐以等死、度日如年的時候，他的妻子楊淑慧正在南京城里四處奔走。楊向陳果夫、陳立夫、陳布雷、顧祝同等人托情，請他們向老蔣進言，周佛海不再提與重慶聯系的事，只看在周抗戰勝利後，奉命維持上海秩序、阻止新四軍入滬、協助重慶接收等，對他予以特赦。
這些國民黨要員，與周佛海都是舊日的同事和，對周佛海一案十分幫忙。陳果夫、陳立夫專門找到蔣，以周佛海在抗戰勝利前後，能按政府計劃暗中布置，不無微功，請蔣予以緩刑或減刑。一次，楊淑慧去找陳立夫，恰逢陳臥病在床，他便要秘書代見，告訴她，周的事陳已專呈報蔣，要她放心。陳布雷是周佛海的舊友，他給楊淑慧出謀，要她寫一呈文，向老蔣求情，請求特赦，他可以代為轉蔣。陳布雷謁蔣時，將楊寫的呈文交給了蔣，並與蔣密謀，如何才能將周佛海特赦出來。
後來，楊淑慧又找到陳布雷，請陳代為疏通，她想面見蔣介石。陳布雷將此事報告給蔣介石後，得到了蔣的批准。于是，經陳布雷安排，楊淑慧見到了老蔣。
楊淑慧一見到蔣介石，就長跪在地，抽泣不止，一句話也不說。其實，要說的話老蔣都知道，一切都在不言之中。這也是陳布雷為楊淑慧設計的，在面見蔣介石之前，陳布雷對楊淑慧說：“見了蔣先生後，你長跪不起，什麼話也不要說。”
果然，這一招起到了作用。蔣皺著眉頭，看著地上的楊淑慧，思索良久，以低緩的語調對楊說：“起來，安心回去吧，讓他再在里面休息一兩年，我一定會讓他再歸來的。”楊得到了蔣的許諾，感激而歸。
1947年2月23日，蔣介石致電司法部，命令對周佛海進行特赦改判。
根據老蔣的指示，3月27日，周佛海被改判為無期徒刑，收押老虎橋監獄。
周佛海死里逃生，不禁感慨萬千。在獄中，他賦詩一首：驚心獄里逢初度，放眼江湖百事殊;已分今生成隔世，竟于絕路轉通途。嶙峋傲骨非新我，慷慨襟情仍故吾;更喜鐵肩猶健在，留將負重度崎嶇。
從這首詩里，我們不難看出，周雖然改判無期徒刑，仍心不死，希冀有朝一日，東山再起，繼續為蔣介石賣命。牢獄中的周佛海重病在身，不能坐，不能睡，日夜伏在床上喘息，痛苦萬狀