Từ năm 1937 đến năm 1939, ông giữ chức Tổng tư lệnh Lực lượng Không quân Liên Xô. Tháng 7 năm 1940, sau khi Liên Xô chiếm đóng các nước Baltic, Loktionov được bổ nhiệm làm chỉ huy trưởng Quân khu đặc biệt Baltic. Tháng 6 năm 1941, ông bị bắt với cáo buộc bịa đặt tham gia vào một âm mưu chống Liên Xô. Trong quá trình thẩm vấn, ông bị đánh đập dã man bởi các thẩm vấn viên khét tiếng của NKVD là Boris Rodos và Lev Shvartsman, và bất tỉnh nhiều lần vì bị tra tấn. Sau đó ông bị đưa đi "đối chất" với Kirill Meretskov; NKVD đã sử dụng vẻ ngoài đẫm máu của Loktionov để đe dọa Meretskov. Sau khi Đức xâm lược Liên Xô, ông được chuyển từ nhà tù NKVD địa phương đến nhà tù Kuybyshev, nơi ông bị xử bắn không qua xét xử vào ngày 28 tháng 10 cùng với nhiều người khác theo lệnh cá nhân của Beria.