被派护送张国焘和陈昌浩前往鄂豫皖苏区，完成任务后，顾回到武汉登台表演魔术，4月24日被从上海过来的中共叛变人员尤崇新认出，遭当地情报负责人蔡孟坚逮捕。顾旋即投降，但是要求面见蒋介石方能供认其掌握的机密。蔡孟坚随即向其上司徐恩曾密电此事，不料徐的机要秘书钱壮飞是中共间谍，抢先通知了特科，导致顾顺章掌握的情报价值大减；但即使如此，也仅仅是“避免了毁灭性的打击”而已，由于顾顺章所处的极高地位，以及其家属很多都参与了共产党的地下工作，致使当时上海等地的地下党机构几乎完全被摧毁，多人被捕杀。周恩来亲自指挥对顾顺章的惩