1963年6月，最高人民法院作出终审判决，以“内奸”罪，判处潘汉年有期徒刑15年，剥夺政治权利终身。但不久即被假释，与董慧一起被安置在北京团河农场。
1967年5月22日，在江青、康生一伙的操纵下，潘汉年和董慧被重新收监，关押在北京秦城监狱，又经受了长达5年的“审查”。到1972年，以原来的罪名，报经当时党中央批准，潘汉年被永远开除出党，改判无期徒刑（未办改判的法律手续）。
潘汉年虽身陷逆境，但作为一个老共产党员，在为其他同志写证明材料时，他总是坚持实事求是的原则。如1970年，他为战友刘鼎写了翔实的证明材料，使刘鼎的历史问题得以澄清，免受冤屈。
1975年5月，潘汉年和董慧被安置到湖南省公安厅洣江茶场。这时潘汉年已年近七旬，身心交瘁，步履艰难。
1977年2月24日，潘汉年病情加重，卧床不起。3月24日，董慧用“萧淑安”的化名把潘汉年送到湖南长沙省医学院第二附属医院治疗。4月14日晚上19时54分，潘汉年因病去世，终年71岁。
4月17日，潘汉年的遗体在长沙火化，骨灰埋葬在长沙市南郊金盆岭墓地西侧半山腰。
对潘汉年的问题，在“文革”之前，就有人向党中央写信表示怀疑。但是，由于过去党内存在“左”的思想影响，党内政治生活不正常，他的问题未能得到实事求是的解决。
粉碎“四人帮”以后，特别是党的十一届三中全会以后，恢复了党的实事求是的思想路线，许多当年同潘汉年一起出生入死的老同志纷纷向党中央反映情况，要求复查潘汉年案件。1978年，董慧也曾向有关部门写信，提出申诉。1980年11月3日，在讨论《建国以来党的若干历史问题决议》时，廖承志在发言中提出：我和刘晓同志商量过，认为潘汉年问题可以说是个冤案。因此，我正式严肃地建议，中央对潘汉年一案要重新审查。
与此同时，潘汉年的亲属也多次上书中共中央纪律检查委员会，希望能对潘汉年一案作重新调查、处理。
廖承志和其他一些同志的意见以及潘汉年亲属的要求，引起了中央领导同志的重视。中央纪委第一书记陈云亲自过问了此事。陈云和潘汉年在十年内战时期，有过两度共事的经历，他对潘汉年有着很好的印象，认为他是白区工作的好代表。解放以后潘汉年在上海的工作情况，特别是潘汉年在担任上海财经委员会主任期间，在处理上海工商界和“三反”、“五反”工作中的谨慎和稳妥的表现，曾受到在中央主管财经工作的陈云的高度重视。他感到有责任把这一案件弄个水落石出。为此，他亲自调阅了潘汉年案件的有关材料。
此外，陈云又要求过去对潘汉年比较了解的同志，如廖承志、夏衍等写材料，把他们对潘汉年的了解写出系统的、具体的材料交给中央纪律检查委员会。
1981年3月，中纪委根据中央的决定开始对潘汉年一案进行全面的复查。中纪委调阅和详细研究了公安部、最高人民检察院、最高人民法院以及原中央专案办公室关于潘案的全部材料，并查阅了中央档案馆和中央有关主管部门有关的历史档案，又向几十位过去与潘汉年一起工作过的同志作了调查。特别是李克农1955年向中央报告中列举有关潘案的五大反证，对这次复查有很大帮助。
经过一年零五个月时间的努力复查，终于有了结果。
复查结果表明，原来认定潘汉年是“内奸”的结论不能成立，应予否定。
根据潘汉年案件复查结果，党中央于1982年8月23日发出文件，向全党郑重宣布：把潘汉年同志定为“内奸”，并将其逮捕、判刑、开除党籍，都是错误的。这是建国以来的一大错案，应予彻底纠正。为此，中央决定：
一、撤销党内对潘汉年同志的原审查结论，并提请最高人民法院依法撤销原判，为潘汉年同志平反昭雪，恢复党籍，追认潘汉年同志的历史功绩，公开为他恢复名誉。
二、凡因“潘案”受牵连被错误处理的同志，应由有关机关实事求是地进行复查，被定性错了的应予平反，并将他们的政治待遇、工作安排和生活困难等善后问题，切实处理好。
党中央还对潘汉年的历史功绩作了高度评价，指出：“潘汉年同志几十年的革命实践充分说明，他是一个坚定的马克思主义者，卓越的无产阶级革命战士，久经考验的优秀共产党员，在政治上对党忠诚，为党和人民的事业作出了重要贡献。”
1983年2月28日，中共上海市委和市政府邀请潘汉年部分生前的战友和部分受株连的同志参加座谈会，以表达对这位优秀共产党员的深切怀念。许多老同志在座谈发言中，追忆了潘汉年的历史功绩。
同年4月14日，中共上海市委、市政府特派市纪委筹备组副组长王子阳，市委组织部副部长高扬，市委统战部顾问刘人寿，全国电影协会副主席、市文联党组成员于伶和潘汉年的亲友专门赴湖南省洣江茶场，把潘汉年夫妇的骨灰送往北京，安放到八宝山革命公墓。15日上午，中央领导同志廖承志、陈丕显、王鹤寿等以及潘汉年生前的战友李一氓、周扬、夏衍、阳翰笙等到车站迎接潘汉年的骨灰，并在车站上举行了隆重的骨灰盒覆盖党旗的仪式。
潘汉年平反昭雪以后，根据党中央文件的精神，中共上海市纪律检查委员会筹备组又专门成立了潘汉年案件复查办公室，对受“潘案”株连的千余名同志的错案进行了全面复查，并实事求是地予以纠正。
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