Dybenko là một trong số các sĩ quan đã bị thanh trừng khỏi Đảng vào năm 1938. Lúc đầu, ông đã được điều chuyển từ vị trí chỉ huy của Quân khu Leningrad do "thiếu sự tin tưởng" và được bổ nhiệm làm Phó Ủy viên nhân dân ngành lâm nghiệp. Năm ngày sau, Dybenko bị bắt và cáo buộc âm mưu với Đức Quốc Xã và liên kết với Mikhail Tukhachevsky. Bộ Dân ủy Nội vụ tra tấn Dybenko bằng cách đặt Dybenko vào một cái hộp sắt nhỏ.

Zinaida Viktorovna Dybenko, vợ thứ ba của Dybenko, bị bắt và bị buộc tội là "một thành viên của gia đình kẻ phản bội". Cô thú nhận với chính quyền về chồng mình là kẻ phản bội và gián điệp. Cô đã bị kết án năm năm trong "trại của Akmolinsk cho các bà vợ của những kẻ phản bội ".

Dybenko bị kết án tử hình và bị bắn. Hai mươi năm sau cái chết của Stalin, ông đã được phục hồi danh dự.