Trong Vụ án Xét lại Chống Đảng, ông bị chính quyền Việt Nam Dân chủ Cộng hòa bí mật bắt và biệt giam vào tháng 10/1967 đến 1972 sau đó bị quản chế ở quê nhà Nam Định đến năm 1975 mới được trở về gia đình ở Hà Nội. Con trai ông là nhà văn Vũ Thư Hiên cũng bị bắt giữ cùng năm 1967 (2 tháng sau đó). Ông bị giam giữ và chuyển qua các nhà tù, trại giam từ nhà tù Hỏa Lò, Bất Bạt (Sơn Tây) và Tân Lập (Phú Thọ).... Chính quyền bắt giam và thả ông không án cũng như không xét xử.

Trong thời gian ông Huỳnh và người con trai cả bị bắt giam, Cụ bà Phạm Thị Tề đã đi liên hệ, phản đối khắp nơi hòng tìm cách cứu chồng, cứu con. Nhưng đặc biệt, cụ bà đã không bao giờ liên hệ, kêu cầu hay đề đạt thỉnh nguyện tới Chủ tịch Hồ Chí Minh – người mà hai vợ chồng bà và gia đình đã từng chăm sóc, cưu mang.

Ông Vũ Đình Huỳnh qua đời tại nhà riêng ngày 03 tháng 5 năm 1990. An táng tại Nghĩa trang Văn Điển, Hà Nội.