Im November 1952 wurde Winogradow im Rahmen der Reaktion auf die angebliche "Ärzteverschwörung" festgenommen. Neben der Spionage für den amerikanischen und den britischen Geheimdienst wurde ihm vorgeworfen, Andrei Schdanow ermordet zu haben. Nach Stalins Tod wurde er am 4. April 1953 freigelassen. In seiner Geheimrede auf dem 20. Parteitag der KPdSU im Jahr 1956 benannte Nikita Chruschtschow die Verhaftung Winogradows als Beispiel für den Machtmissbrauch Stalins.