Khóa họp Quốc hội thứ 40, tụ họp vào ngày 4 tháng 3 năm 1867, không xông xáo chống đối Johnson như Stevens mong muốn. Quốc hội nhanh chóng tan họp đến tháng 7, dù Ủy ban Tư pháp vẫn còn ở lại để điều trần về vấn đề có nên luận tội Johnson hay không.[134] Stevens cương quyết ủng hộ luận tội, nhưng những thành viên khác thì ít hăng hái hơn khi Thượng viện bầu chọn Benjamin Wade từ Ohio làm chủ tịch tạm quyền, tức người kế vị tổng thống nếu không có phó tổng thống. Wade là một người cấp tiến ủng hộ chính sách tái phân phát của cải; một diễn văn của Wade tại Kansas đã khiến Karl Marx ấn tượng đến mức ông đã nhắc đến nó trong phiên bản tiếng Đức đầu tiên của tác phẩm Tư bản.[135] Đồng thời là một người ủng hộ trao quyền bỏ phiếu cho phụ nữ, quan điểm của Wade đã khiến nhiều người không tin tưởng;[136] viễn cảnh ông kế vị khiến một số người muốn phế truất Johnson phải lưỡng lự. Tuy nhiên Stevens thì vẫn cương quyết muốn truất phế Tổng thống, và khi Ủy ban Tư pháp chưa có báo cáo, ông đã cố gắng duy trì cuộc họp Quốc hội cho đến khi có báo cáo.[137] Dù phản đối tổng thống, Stevens vẫn hợp tác với chính quyền Johnson trong các vấn đề mà cả hai phía đều ủng hộ; ông đã giành được khoản tiền để chính phủ mua Alaska và thúc giục Ngoại trưởng Seward tìm các lãnh thổ khác để bành trướng.[138]

Hầu hết các bộ trưởng trong nội các của Johnson ủng hộ ông, duy Bộ trưởng Chiến tranh Stanton thì không. Ông cùng Thống tướng Lục quân và anh hùng chiến tranh Ulysses S. Grant đã hợp tác để làm hao mòn các chính sách Tái thiết của Johnson. Johnson đã tuân thủ các đạo luật mà Quốc hội đã thông qua, đôi khi bất chấp cả phủ quyết của ông, nhưng ông thường diễn giải chúng theo cách ngược lại ý định của Quốc hội. Sau khi Stanton không chịu từ chức theo yêu cầu của Johnson vào tháng 8 năm 1867, Johnson đã đình chỉ Stanton, đúng theo điều khoản của Đạo luật Nhiệm kỳ Chức vụ, và bổ nhiệm Thống tướng Grant làm Bộ trưởng Chiến tranh lâm thời.[139] Trong cuộc bầu cử năm đó, các đảng viên Cộng hòa vận động xoay quanh chính sách trao quyền bỏ phiếu cho người Mỹ gốc Phi, nhưng cử tri lại bầu cho những đảng viên Dân chủ vốn không ủng hộ chính sách này. Dù không có ghế Quốc hội nào trực tiếp chịu ảnh hưởng, cử tri Ohio đã đánh bại một trưng cầu dân ý trao quyền bỏ phiếu cho người da đen và đưa Đảng Dân chủ đa số ghế trong cơ quan lập pháp tiểu bang, khiến Wade không được bầu vào lại Thượng viện khi nhiệm kỳ của ông kết thúc vào năm 1869.[140]

Khi Quốc hội họp lại vào tháng 12, mặc dù Ủy ban Tư pháp bỏ phiếu 5-4 ủng hộ luận tội, Hạ viện đã bỏ phiếu chống.[141] Ngày 13 tháng 1 năm 1868, Thượng viện đã hủy bỏ lệnh đình chỉ của Johnson đối với Stanton. Grant từ chức Bộ trưởng Chiến tranh và Stanton được phục hồi chức vụ.[142] Tuy nhiên, ngày 21 tháng 2 thì Tổng thống lại đuổi việc Stanton và bổ nhiệm Tướng Lorenzo Thomas để thế chỗ ông – dù Stanton không chịu rời vị trí và phòng thủ trong văn phòng.[143][144] Các hành động này đã gây xôn xao khắp thủ đô, và tại Hạ viện Stevens đã đi qua từng nhóm, lặp đi lặp lại câu nói "Tôi đã nói rồi mà đúng không? Ôn hòa thì có ích gì? Nếu các ông không tiêu diệt con quái vật thì nó sẽ giết các ông."[145] Stevens kết thúc cuộc tranh luận về nghị quyết mới nhằm luận tội Johnson vào ngày 24 tháng 2, nhưng do sức khỏe yếu ông không thể đọc hết diễn văn mà phải đưa cho Thư ký Hạ viện đọc giúp. Ông cáo buộc Johnson đã giành quyền từ các nhánh khác của chính quyền và phớt lờ nguyện vọng của nhân dân. Ông không phủ nhận rằng cuộc luận tội là một vấn đề chính trị, nhưng rằng "đây sẽ không chỉ là một chiến thắng tạm thời cho một đảng phái nào, mà hệ quả của nó sẽ kéo dài cho đến khi toàn bộ châu lục tràn đầy con người tự do và không bị cản trở, hoặc là [biến thành] một cái ổ đầy nô lệ lùi bước, nhút nhát."[146][147] Hạ viện bỏ phiếu 126–47 luận tội Tổng thống.[148]

Stevens dẫn đầu phái đoàn Hạ viện ngày hôm sau được phái đến Thượng viện để thông báo về cuộc luận tội, dù ông không còn đủ sức để tự đi đến đó mà phải nhờ người mang ông đi. Ông được bầu chọn vào ủy ban có nhiệm vụ phát thảo các điều khoản luận tội, nhưng do đau ốm, ông chỉ tham gia hạn chế. Tuy vậy, ông đã đề xuất một điều khoản mới, Điều XI, khi không hài lòng với các điều khoản mà ủy ban đã đưa ra. Điều khoản này đưa căn cứ trong các cáo buộc từ các tuyên bố của Johnson phủ nhận tính chính thống của Quốc hội với lý do các tiểu bang miền Nam đã bị loại ra, và cho rằng Johnson đã cố gắng bất tuân các Đạo luật Tái thiết. Stevens là một trong những người khởi tố ("manager") được Hạ viện bầu chọn để đại diện bên cáo buộc trong vụ xét xử tại Thượng viện. Dù Stevens đã quá ốm yếu để có mặt tại Thượng viện vào ngày 10 tháng 3 khi bên khởi tố yêu cầu ông có mặt (Tổng thống thì chỉ cần bên bào chữa đại diện), ông vẫn xuất hiện 10 hôm sau tức ngày hạn cuối của yêu cầu. Tờ New York Herald miêu tả ông có "mặt màu giống xác chết, và đôi môi thì co giật cứng ... một bóng ma kỳ lạ và không còn thuộc cõi đời này – một sự phản kháng đã ẩn dật từ ngôi mộ ... thật là sự hiện thân của sự cuồng tín, không còn một chút men công lý hay khoan dung nào ... là thần báo ứng của đảng ông – là kẻ thù không đội trời chung của Tổng thống."[149]

Do ngày càng đau ốm, Stevens không tham gia nhiều trong phiên xử tổng thống, trong đó người dẫn đầu nhóm khởi tố Hạ viện là Dân biểu Massachusetts Benjamin F. Butler. Tại Thượng viện, Stevens ăn trứng sống và rùa, uống rượu vang port và brandy cho đỡ đói. Ông chỉ phát biểu hai lần trước khi nói lời kết thúc cho bên khởi tố vào ngày 27 tháng 4. Trong lúc ông nói, giọng ông bị yếu đi, và cuối cùng ông để Butler đọc hết phần còn lại của diễn văn của mình. Stevens tập trung vào Điều XI, lập luận rằng Johnson có thể bị phế truất vì phạm tội chính trị, không cần phải phạm tội theo luật. Vị Tổng thống, sau khi đã tuyên thệ tuân thủ luật pháp, đã cố tình bất tuân Đạo luật Nhiệm kỳ Chức vụ sau khi Thượng viện không tán thành việc ông sa thải Stanton, "vày bây giờ kết quả của vụ ám sát này [ý nói Johnson] đã quay mặt đến Thượng viện mà đã quở trách ông trong vấn đề hiến pháp và bất chấp họ. Làm sao ông ta có thể thoát khỏi luật pháp báo thù?"[150][151]

Hầu hết những người theo phe cấp tiến đều tin tưởng rằng Johnson sẽ bị kết tội và truất phế. Tuy nhiên, Stevens thì chưa bao giờ tin chắc điều này vì Chánh án Chase (cựu Bộ trưởng Ngân khố) đã đưa ra một số quyết định có lợi cho phe bào chữa, và ông không tin chắc lắm là các đảng viên Cộng hòa sẽ đoàn kết. Vào ngày 11 tháng 5, Thượng viện có một buổi họp kín, và các thượng nghị sĩ đọc các phát biểu về ý định biểu quyết của mình. Tất cả các đảng viên Dân chủ đều chống, nhưng một số lượng lớn đảng viên Cộng hòa cũng bất ngờ bỏ phiếu chống trong một vài hay tất cả các điều khoản. Khi tính số phiếu, bên khởi tố nhận thức rằng cách tốt nhất để lấy 2/3 số phiếu thuận để kết tội là nhắm vào Điều  XI như Stevens đã làm, và khi Thượng viện tụ tập để đưa phán quyết, họ đưa điều khoản này ra để bỏ phiếu trước. Sự hồi hộp kết thúc khi Edmund Ross, người có quan điểm chưa biết được, bỏ phiếu tha tội. Việc này có nghĩa là khi tính hết số phiếu, sẽ không có đủ 2/3 để kết tội Tổng thống. Điều khoản này thất bại với 35 phiếu ủng hộ và 19 phiếu chống. Hy vọng rằng trì hoãn sẽ đem lại kết quả khác, Đảng Cộng hòa cho tan họp 10 ngày. Stevens ngồi trên ghế trong lúc được khiêng về từ Thượng viện – một người quan sát miêu tả ông có "sắc thái đen tối vì tức giận và thất vọng" – và khi những người ở ngoài la ó để hỏi về kết quả, ông thốt lên: "Đất nước đã bị ma quỷ lấy đi rồi!"[152][153]