Omstendighetene rundt Preobrasjenskijs død er uklare. Ulikt mange av sine tidligere allierte ble han ikke tiltalt eller dømt i Moskvaprosessene, men døde i fengsel i 1937. Ifølge sovjeteksperten E.H. Carr ble han ikke henrettet, men døde, som så mange andre i sovjetisk fangenskap, av andre årsaker. Etter at sovjetarkivene ble åpnet har det imidlertid kommet dokumenter som tyder på at han ble henrettet.