被捕
　　1923年“二七”惨案之后，全国工人运动一蹶不振，尤其是铁路工人运动，几乎完全瘫痪。为了进一步复兴铁路工人运动，中共中央决定成立全国铁路总工会，筹备任务就交给张国焘。总工会卓有成效的工作使北京铁路工人运动发展迅速，这引起了北洋军阀政府的注意。
　　1924年5月13日，湖北共产党组织秘密机关被湖北督军萧耀南的军警查获，逮捕了京汉铁路总工会委员长杨德甫和几个工人。杨德甫被捕后叛变，供出了全国铁路总工会在北京的机关地址和负责人。
　　5月21日凌晨，京师警察厅派出侦缉队前往全国铁路总工会的秘密机关进行搜捕，总工会干事彭子均、李凤林不幸被捕，未来得及转移的铁路工人名册和许多党的文件以及来往信件被搜去。随后，侦缉队又到张国焘的住处，逮捕了张国焘和他的夫人杨子烈，并搜出中共“三大”文件及多件信函。
　　招供
　　张国焘等人被捕后，遭到了野蛮的审讯。据5月28日上海《申报》报道：
　　侦缉队已开始拷讯，且每日拷打三四次之多。起初張国焘还能挺得住。不管敌人怎样拷问，他都矢口否认自己是铁路工会的总干事，但从总工会会所和他住所搜出来的大量文件和信件还是暴露了他。在确凿的证据面前，张国焘只好承认了自己的身份并写下了供词。
　　张国焘满以为事情会到此结束。不料，京畿卫戍司令王怀庆却不肯就此罢手。张国焘忍受不住敌人的严刑逼供，终于向敌人供出了李大钊、陈独秀、谭平山、张昆弟及一批北京的共产党员等。
　　敌人并不满足，进一步对张国焘施加刑罚。张国焘索性供出了他所知道的全国铁路各工会的共产党员共71人。
　　被张国焘出卖的共产党员中，范体仁、孙云鹏、吴鹏九、叶云清等人不幸被捕，另有被开除、被通缉者40余人。北方铁路工人运动又一次遭到严重打击。
　　粉饰
　　而张国焘后来在《我的回忆》中，将他在狱中出卖组织和同志一事全部抹去，还把自己粉饰成坚贞不屈的英雄，说他面对敌人的审讯，如何毫不畏惧，如何被人强扭着按了手印，如何绝食，等等。但他承认，他的罪行由“内乱犯”变为“内乱未遂犯”，并得到了一般犯人所得不到的优待。
　　1924年10月底的一天，张国焘等人被全部释放。从同志们的谈话中，张国焘了解到，在他们几个人被捕后，党立即发动了抗议和营救运动。听到这些，张国焘决心隐瞒在狱中叛变的真相。应该说，张国焘的隐瞒是成功的。同志们把他当成了英雄，他不仅得到了信任，后来还进入了党和军队的领导核心。
　　如若不是建国后人们在过去的档案里发现了他的自供状和其他相关档案材料，恐怕世人至今也不知道他在1924年这段经历的真相。