为便于开展活动，牛兰夫妇持有多国护照，以化名登记了8个信箱，拥有10处住所、两个办公室和一家商店。
1931年6月，英国警方在新加坡逮捕了共产国际信使约瑟夫，并从他携带的文件中发现了牛兰在上海的电报挂号和信箱号，牛兰夫妇因此被捕。由于牛兰同时是国际工会组织――泛太平洋产业同盟秘书处驻上海的代表，因此营救牛兰夫妇的活动很快演变成一次世界性的运动。
1931年8月20日，保卫牛兰夫妇委员会在欧洲成立，其发起人包括爱因斯坦、蔡特金、德莱塞、高尔基、史沫特莱以及孙中山先生的遗孀宋庆龄等国际知名人士。共产国际也积极采取行动，由书记皮亚特尼茨基亲自指挥营救，通过驻上海的拉姆扎情报小组与蒋介石夫人的姐姐宋庆龄取得联系，请她出面搭救牛兰夫妇。宋庆龄亲赴南京，数次到监狱探望牛兰夫妇，书面担保牛兰夫妇保外就医，并帮助妥善安置他们的儿子吉米。还就营救牛兰夫妇一事亲自与蒋介石谈判。有报道说，宋庆龄曾提出以留苏的蒋介石之子蒋经国换回牛兰夫妇，但遭到蒋介石的拒绝。
牛兰夫妇于1932年被判**，随后又减为****，1937年8月底出狱，而后回到苏联。
其间，共产国际要求在中国的特工小组佐尔格小组直接参与了营救牛兰夫妇的行动，并建议用美元收买有关人员，共产国际采纳了这一建议，派德国***员齐伯乐和布劳恩分别携带2万美元，从哈尔滨前往上海交给佐尔格，并由佐尔格转交牛兰夫妇的律师， 再由律师贿赂陪审员和法官，此举发挥了作用，特工布劳恩回忆说，牛兰夫妇之所以没有被执行**，正是由于莫斯科方面买通了陪审团成员，据记载，莫斯科为此案花掉的费用高达10万美元。