审查员开始不肯，李立三就声称他的案件至关重要，许多情况只能反映给苏共及共产国际的最高领导，才能澄清是非，迫使审查员不得不同意他的请求。李立三抓紧机会，把自己的冤案写信上告斯大林。他的信，斯大林究竟看到了没有，不得而知，但李立三利用这种迷惑战术，拖延时间，不断写信上告，以引起各方领导人的注意，这样做确实达到了目的。李立三自己说，他当时最担心的是把他当做一般犯人草率处理，拉去枪决。他给斯大林和季米特洛夫写信，审查组就不敢轻易对他动手了，并于1939年1月不得不将此案转交莫斯科军区军事法庭，于当年5月正式开庭审判。李立三经过认真准备，在法庭上进行了自我辩护，对起诉书中所罗列的罪状一条一条地予以了义正严词的反驳。他郑重声明，中共党史不容歪曲，所谓“华人反革命集团”完全是杜撰出来的，他自己绝不是托派，更不是“反革命集团的头目”，进而控诉了一些人采用非法手段进行逼、供、信，以达到其不可告人的目的。李立三有力的自我辩护引起了法官的重视，法庭经研究决议，对李立三的控告因证据不足，予以驳回，待进一步审查后再议。

    这是一次很大的胜利。李立三的案件从此有了转机，原负责人沃尔夫松被调走，不久被撤职判刑。新来的审查员态度比较认真，详细地研究了李立三的资料，不再追究一些莫须有的罪名，而是对具体的事情，如公文包的丢失、1936年的译文问题等等进行了实事求是地调查。李立三看到了一线曙光，但仍然受到监禁。监狱里的日子很难熬，李立三后来常说：“坐敌人的牢房容易，坐自己的牢房难。”既要保持坚定不移的信念和清醒的头脑来反抗提审时的暴虐、欺诈，又要机智灵活地对付牢房内各式各样的考验。

    有一段时间，李立三被关在与世隔绝的单牢里，突然又押进来一个犯人。此人愤愤不平地向李立三诉苦，大骂苏联共产党和苏维埃制度。这种反常的表现引起了李立三的警觉，他马上严厉斥责道：“住口！不许谩骂苏维埃，不许说共产党的坏话。”这个家伙被弄得很尴尬，第二天被带走时，和李立三握手，悄悄地说了一声：“你真是个好同志！”李立三心里豁然一亮：这果然是一次考验。

    另有一次，李立三被调到大牢房里，和刑事犯关在一起。这也是内务部惯用的伎俩：利用刑事犯去整治政治犯，以摧残其意志和身心健康。李立三很快发现同牢里有一个“大块头”，满脸横肉，敞胸露怀，炫耀着自己的文身。刑事犯们毕恭毕敬地侍候着他，惟命是听，狱外还常有人不知通过什么途径，把一筐一筐的水果给他送进牢里，再由他分给小喽啰们吃。李立三马上判断出，这肯定是黑社会的头目，他想起在安源、上海等地和青帮打交道的经验，便采取巧妙的办法，以不卑不亢的态度、大无畏的表现和称兄道弟的攻心战术，很快就把这个头头争取了过来，保护了自己，避免了来自刑事犯的欺压和虐待。

    远离祖国，身陷囹圄，有冤难申，李立三的心情可想而知。每当看守所发放生活补助费、站在门口念名单时，受到家人关照的难友们一个一个脸上挂上笑容，李立三就更加感到形单影只的忧愁，以为自己不会有这样的福分了。未料，在坐牢半年多之后，有一次他模模糊糊地听到喊自己的名字，他不敢相信自己的耳朵，仍坐着不动，直到看守不耐烦地又喊了一声：“李明！”他才起身走到门口。难友们看见一个外国人居然拿到家人送来的钱款，个个惊异万分。李立三领会到这是夫人李莎的心意，激动得热泪盈眶，性格刚强的他此时刷刷地掉泪也不怕别人笑话。

    从此，李立三每月拿到50卢布，可以改善生活了。原来狱中吃的只有黑面包和稀粥，根本没有蔬菜，严重影响了囚犯的身体健康。现在李立三在狱内小卖部经常买一些胡萝卜和洋葱生吃，解决了维生素缺乏的问题，又买一些肥皂来洗脸洗澡。他还是个“大烟筒”，现在可以买烟抽了，当然是非常高兴的。但最使他高兴的不是香烟，也不是蔬菜，而是精神上的支持。有人思念，有人关心，他就更有信心坚持斗争、生存下去。此情此景，他出狱后经常给李莎讲述，回国以后见到刘少奇、陈云等也都讲过。李莎和李立三两人之间的感情就是这样在患难中磨炼得更加亲密深厚了。