Во время Поместного Собора 1917 года Николай Юрьевич исполнял обязанности делопроизводителя Отдела о внешней и внутренней миссии и о церковной дисциплине.

В октябре 1917 года большевики захватили Кремль. В эти дни они обстреляли Никольские ворота, повредив снарядами чудотворный образ святителя Николая. 1 мая, которое новая власть потребовала праздновать как интернациональный праздник, пришлось в 1918 году на Страстную среду. Власти повелели закрыть чудотворный образ святителя Николая на Никольских воротах красным полотнищем с надписью «Да здравствует первомайский интернациональный праздник!». Но случилось чудо — образ сам собой освободился от красного полотнища.

Николай Варжанский описал это в выпущенном им листке, который назывался «Сказание о чудотворном образе святого Угодника Божия святителя Николая над Никольскими воротами в Москве». Впоследствии власти публикацию об этом чуде поставили Николаю Юрьевичу в вину. В этом листке он писал: «Всю ночь со Страстного вторника на Страстную среду Красная площадь охранялась и никто не мог сюда подойти. Утром в Страстную среду заметили, что повешенное целое красное полотнище прорвалось так, что чудотворный образ Угодника Божия Николая стал виден для всех и сделался, по замечанию многих, несравненно светлее, чем был доселе. Красное полотнище начало рваться частями, кусками, лентами и упало совсем. Сначала хотели объяснить, что полотнище разорвано ветром, а потом было напечатано, что будто полотнище повешено прорезанное, хотя тысячи народа видели, что оно было целое, не прорезанное. Как бы ни было, но Господь не попустил покрытия багряницею чудотворных образов. Разлетелось красное полотнище, которым прикрыта была чудотворная икона святого Угодника Николая.

Спас Чудотворец Николай некогда от татар, спасет и теперь, если только будем усердно молиться ему и будем стоять за святую Веру Православную и за святыни наши даже до смерти».

31 мая 1918 года Николай Юрьевич зашел на квартиру протоиерея Иоанна Восторгова, где в это время шел обыск и где присутствовали некоторые другие гости отца Иоанна, и был здесь арестован и затем заключен в Бутырскую тюрьму. Ордер на его арест был выписан лишь на следующий день.

Обвинения Николаю Юрьевичу собирались из публикаций газет, выходивших после Февральской революции. В частности, в газете «Вечерние новости» от 14 июня 1917 года было опубликовано такое сообщение: «В одном из последних заседаний реквизиционной комиссии при исполнительном комитете московских общественных организаций обсуждался вопрос о реквизиции Варнавинского общества, где в начале революции был арестован во время доклада профессор Духовной академии Кузнецов. В заседание реквизиционной комиссии была допущена депутация от Варнавинского общества во главе с миссионером Варжанским, представившим свои соображения о недопустимости реквизиции.

Сторонники реквизиции указали, что Варнавинское общество является очагом контрреволюции — местом, откуда исходит открытая погромная пропаганда, почему и настаивают на закрытии общества. Один из членов комиссии предлагал прежде разрешения вопроса о реквизиции поручить комиссии по обеспечению нового строя проверить заявления о погромной деятельности общества. В результате голосования вопрос о реквизиции Варнавинского общества был решен отрицательно».

На основании этой публикации следователь ЧК вывел следующее обвинение Николаю Юрьевичу: «Реакционер чистейшей воды, ведет всегда погромную и черносотенную агитацию. Главным ему гнездом явилось Варнавинское общество трезвости».

7 июня следователь ЧК допросил Николая Юрьевича. Отвечая на его вопросы, исповедник сказал, что ему 37 лет, что он является московским епархиальным миссионером, сектоведом. После окончания академии все время занимался сектоведением и проповедованием православия. «Выступая с проповедью, — сказал Николай Юрьевич, — я никогда не касался политических вопросов, за исключением тех пунктов, которые соприкасаются с церковной жизнью. С Восторговым я познакомился еще будучи студентом, когда он был московским епархиальным миссионером, интересуясь религиозными вопросами. В каких политических партиях в это время состоял Восторгов, меня мало интересовало. Листовку»Сказание о чудотворном образе святого Угодника Божия святителя Николая Чудотворца»редактировал я. Издавая листовку, я преследовал цели осведомительного характера и поддержания религиозных чувств в народе».

Почти сразу после ареста Николая Юрьевича в следственную комиссию стало обращаться множество людей и организаций с просьбой о его освобождении. В ЧК обратились ректор и члены Правления Московской Духовной семинарии, Союз церковноприходских общин, объединившихся при московской Преображенской, что в Преображенском, церкви, Совет объединенных приходов, Совет Варнавинского народного общества трезвости. К этим многочисленным просьбам об освобождении невиновного исповедника присоединился и Патриарх Тихон. Но всем просителям от лица членов следственной группы ЧК Розмировича и Цейтлина был один ответ — отклонить. 14 августа в Верховный Революционный Трибунал обратилась супруга арестованного, Зинаида Неофитовна, с просьбой предоставить ей личное свидание с мужем, но ей в этом было отказано.

20 июня следователь ЧК Косарев, ведший дело, предложил всех обвиняемых по делу, связанных с протоиереем Ионном Восторговым, включая Николая Варжанского, расстрелять.

23 июля 1918 года Коллегия следственного отдела ЧК постановила: дело Варжанского прекратить и сдать в архив. 8 сентября следственная комиссия обратилась во ВЦИК за разрешением ликвидировать дела внесудебным порядком, и дело из ведения Революционного трибунала вернулось в ЧК. 3 декабря 1918 года Президиум коллегии отдела по борьбе с контрреволюцией приговорил Николая Варжанского к расстрелу.

Почти сразу после ареста Николая Юрьевича, 6 июня 1918 года, ему была послана в тюрьму икона Божией Матери «Взыскание погибших» с надписью: «Усердно молимся за дорогих страстотерпцев». Узнав, что приговорен к расстрелу, Николай Юрьевич передал образ Божией Матери супруге, написав на другой его стороне: «Да сохранит тебя и заступит Своим Матерним Покровом Пречистая Заступница Матерь Света. Молись, дорогая Зиночка, голубка моя, Богородице, Она покроет твое вдовство раннее и сироток. Прости меня, дорогая моя, и за меня молись».

Николай Юрьевич Варжанский был расстрелян, а затем погребен на пустыре за оградой Калитниковского кладбища в Москве. На могиле родственниками был установлен металлический крест с надписью, но впоследствии крест был сломан, место захоронения утрачено.