15 июня 1970 года на аэродроме «Смольное» у трапа самолёта и в лесу около Приозерска участники акции были арестованы. Сразу после арестов были проведены первые допросы. Анатолий Альтман писал: «Везут недалеко, в какие-то бараки, где располагают по одному в комнате. Возле каждого его „попечители“. Вижу в комнате напротив Эдика, улыбается своей невозмутимой и лукавой улыбкой, как будто как он всё задумал, так и получилось, вопреки всем враждебным проискам. Потом, из протоколов, узнаю, что уже на территории аэродрома были проведены первые допросы» .
В тот же день, 15 июня, были арестованы Бутман и другие ленинградские сионисты.
В декабре 1970 года состоялся суд. Подсудимым были предъявлены обвинения в измене Родине (попытке побега с незаконным пересечением государственной границы), попытке хищения в особо крупных размерах (угон самолёта) и антисоветской агитации (составленный И. Менделевичем текст «обращения» с протестом против «политического антисемитизма» в СССР).
В результате, организаторы М. Дымшиц и Э. Кузнецов были приговорены к смертной казни (расстрелу), И. Менделевич и Ю. Фёдоров получили по 15 лет заключения, А. Мурженко — 14, Ханох — 13, А. Альтман — 12, В. Залмансон — 12 (как лейтенанта Советской Армии его судил военный трибунал), С. Залмансон — 10, И. Залмансон — 8, Б. Пэнсон — 10, М. Бодня — 4.
В то же время, «лиц, которые хотя бы в той или иной степени содействовали преступлению, знали об его подготовке — дочерей Дымшица, их мать, а также жену Ханоха, исходя из соображений гуманности, решено было не привлекать к уголовной ответственности» .Алевтина Ивановна и её дочери были отпущены домой в первые же часы после ареста фигурантов «самолётного» дела.18-летнюю беременную жену Ханоха Мэри держали в тюрьме полгода и выпустили только перед самым процессом, когда она была на восьмом месяце беременности.Кузнецов полагал, что суд специально перенесли на декабрь, поскольку 25 ноября Сессия Генеральной Ассамблеи ООН приняла специальную резолюцию о борьбе с угоном самолётов, что, по мнению Кузнецова, было политическим козырем для ужесточения приговора. Кроме того, 15 октября 1970 года (то есть за два месяца до начала «самолётного» процесса) отец и сын Бразинскасы угнали в Турцию советский самолёт, и во время угона была убита бортпроводница Надежда Курченко.
В своём письме в Президиум Верховного Совета СССР один из арестованных ленинградских сионистов Гилель Шур приводит следующий факт: «Через день после появления в газетах сообщения о захвате советского самолёта и убийства бортпроводницы следователь заявил мне, что это дело рук литовских евреев, и теперь всех обвиняемых … ждёт жестокое наказание» .После множества протестов во всём мире и вмешательства крупных государственных деятелей разных стран (Ричарда Никсона, Голды Меир и др.) 31 декабря 1970 года смертный приговор Дымшицу и Кузнецову заменили 15-ю годами заключения. Незначительно снизили сроки остальным.