Schließlich wurde die konspirative Arbeit Bonhoeffers entdeckt. Am 5. April 1943 verhaftete ihn die Gestapo, und mit ihm Hans von Dohnanyi und dessen Frau. Christine von Dohnanyi konnte nach fünf Wochen das Gefängnis wieder verlassen.
Obwohl Bonhoeffer immer mit einer Verhaftung gerechnet hatte, war für ihn die erste Zeit im Gefängnis sehr hart. Er wurde in einer verschmutzten Zelle isoliert, niemand sprach ein Wort mit ihm.Von den Eltern erhielt er alle zehn Tage Post, die er auch beantworten durfte. Erlaubt war jede Woche ein Wäschepaket, das zusätzlich Nahrungsmittel und Bücher enthalten durfte. Da die Verlobung mit Maria von Wedemeyer zunächst nicht öffentlich war, dauerte es lange, bis ihm erlaubt wurde, ihr zu schreiben und Briefe von ihr zu erhalten.

Dohnanyi und Bonhoeffer waren in verschiedenen Gefängnissen inhaftiert. Bonhoeffer fand im Gefängnis Tegel nach einer Weile freundliche Wärter, die versuchten, ihm das Leben erträglicher zu machen. Der Kommandant des Gefängnisses rief sogar nach schweren Luftangriffen bei den Eltern an, um ihnen zu sagen, dass ihrem Sohn nichts geschehen sei. Auf diese Weise erhielt Bonhoeffer auch oft nach Fliegeralarmen Nachricht von seinen Eltern.

Außer an seine Braut und seine Eltern durfte Dietrich jedoch niemandem schreiben. Allerdings durfte er Briefe bekommen. Für manche schien es aber nicht ratsam, durch Briefe die Gestapo, die die Post kontrollierte, auf sich aufmerksam zu machen. So setzten sich zwei Wärter besonders für Bonhoeffer ein. Sie schmuggelten Briefe an Bethge aus dem Gefängnis und ließen die Antworten über ihre eigenen Adressen gehen. Wäre dies entdeckt worden, hätten sie schwere Strafen erwartet.
Als Bethge Ende Oktober 1944 selbst verhaftet wurde, vernichtete er die letzten von Bonhoeffer an ihn gerichteten Briefe, um ihn und sich nicht in noch größere Gefahr zu bringen. Das hat er – und viele Bonhoeffer-Anhänger – später sehr bedauert, denn aus dem Briefwechsel mit den Eltern, vor allem aber dem mit Eberhard Bethge, und aus Notizen, die sich Bonhoeffer im Gefängnis gemacht hatte, entstand nach dem Krieg das Buch Widerstand und Ergebung, das Eberhard Bethge (nach der Aufforderung von Fritz Bissinger vom Chr. Kaiser Verlag und Beratung im Bonhoeffer-Familienkreis) herausgab. Anfangs wurde allerdings Persönliches, soweit es nicht zum Verständnis der Briefe notwendig war, herausgelassen. So war auch nicht zu erkennen, dass es sich bei den Briefen an einen Freund um Bethge selbst handelte. Bis heute ist dieses häufig unerkannt, obwohl es in den späteren Ausgaben zu lesen ist.

Mit Widerstand und Ergebung wurde Bonhoeffer, der zuvor zwar in deutschen Theologen- und Kirchenkreisen schon einen Namen hatte, weltweit bekannt. Es wird in Europa, Nord- und Südamerika, Japan, Korea, Südafrika und anderen Ländern der Welt gelesen und noch heute immer wieder neu aufgelegt.

Man begegnet in diesem Werk einem Menschen, der ganz für seine Überzeugung eingetreten ist, obwohl er wusste, dass er sein Leben riskierte. Dietrich Bonhoeffer stellte sich der Bedrohung in voller Überzeugung. Dieser Mut war weitgehend in seiner Erziehung begründet, die zum Ziel hatte, sich ganz einzusetzen, wo man sah, dass Unrecht geschah. Nicht ohne Grund sind auch sein Bruder und die Männer zweier Schwestern von den Nazis umgebracht worden. Bonhoeffers Glaube gab ihm Kraft und Gelassenheit, die Anfechtungen und Belastungen zu ertragen.

Ich glaube, daß mir nichts Sinnloses widerfährt und daß es für uns alle gut so ist, wenn es auch unseren Wünschen zuwiderläuft. Ich sehe in meinem gegenwärtigen Dasein eine Aufgabe und hoffe nur, daß ich sie erfülle. Von dem großen Ziel her gesehen sind alle Entbehrungen und versagten Wünsche geringfügig.

In der ersten Zeit im Gefängnis notiert Dietrich Bonhoeffer einmal auf einen Zettel:

Unzufriedenheit – Gespanntheit
Ungeduld
Sehnsucht
Langeweile
Nacht – tief einsam

Und zur gleichen Zeit schrieb er an die Eltern:

Vor allem müßt Ihr wissen und auch wirklich glauben, daß es mir gut geht. … Eine so starke innere Umstellung, wie sie eine so überraschende Verhaftung mit sich führt, die Nötigung, sich innerlich zurecht- und abzufinden mit einer völlig neuen Situation, – das alles läßt das Körperliche völlig zurücktreten und unwesentlich werden; und das empfinde ich als eine wirkliche Bereicherung meiner Erfahrung. Alleinsein ist für mich ja nicht etwas so Ungewohntes wie für andere Menschen und ist sicher ein gutes seelisches Dampfbad. Quälend ist oder wäre nur der Gedanke, daß Ihr Euch um mich ängstigt und quält, daß Ihr nicht richtig schlaft und eßt.

Die Familie lässt sich nicht entmutigen, gegenseitig geben sie sich Kraft. Nach einem Besuch seiner Schwester Ursula kann Bonhoeffer an die Eltern schreiben:

Es ist immer so beruhigend, Euch so gelassen und heiter bei all dem Widerwärtigen, was ihr durch meine Verhaftung durchmachen müßt, zu finden. Du, liebe Mama, hast kürzlich einmal geschrieben, daß Du stolz darauf wärest, daß deine Kinder sich in schauderhafter Lage ›anständig‹ benehmen. In Wirklichkeit haben wir all das von Euch beiden gelernt.

Mit dem Widerspruch und der Spannung zwischen Depressionen und innerer Stärke hat sich Dietrich Bonhoeffer in dieser Zeit immer wieder auseinandersetzen müssen. Sein Gedicht Wer bin ich? ist ein Zeugnis dafür.

Auch das Problem der Sehnsucht stellte sich Bonhoeffer sehr konkret im Gefängnis, sowohl litt er selbst darunter als auch die meisten seiner Mitgefangenen. Und er dachte mit Blick auf dieses Thema auch an Eberhard Bethge, den er als Soldat in Italien von seiner Familie getrennt wusste und schrieb ihm dazu am 19. März 1944:

Deine Sehnsucht … wird in diesen gefahrvollen Tagen besonders stark sein, und jeder Brief wird sie nur vergrößern. Aber gehört es nicht zum Wesen des Mannes im Unterschied zum Unfertigen, daß das Schwergewicht seines Lebens immer dort ist, wo er sich gerade befindet, und daß die Sehnsucht nach der Erfüllung seiner Wünsche ihn doch nicht davon abzubringen vermag, dort, wo er nun einmal steht, ganz das zu sein, was er ist? …

Wünsche, an die wir uns zu sehr klammern, rauben uns leicht etwas von dem, was wir sein sollen und können, Wünsche, die wir um der gegenwärtigen Aufgabe willen immer wieder überwinden, machen uns – umgekehrt – reicher …
Es gibt erfülltes Leben trotz vieler unerfüllter Wünsche.

Bonhoeffer hatte – wie gesagt – im Gefängnis unter dem Wachpersonal allerhand Freunde und dadurch auch diese und jene Vergünstigung. Er wusste manches, was draußen noch nicht bekannt war, zum Teil über Mitgefangene, die gut unterrichteten Besuch hatten oder sich durch Codes mit Angehörigen verständigen konnten. Außerdem konnte er möglicherweise den englischen Sender hören. So war er im Frühsommer 1944 recht hoffnungsvoll, weil er wusste, dass das Attentat auf Hitler demnächst erfolgen musste. Das lässt sich aus seinen Briefen schließen. So schreibt er z. B. über seinen Bruder Klaus, der weiter für den Widerstand tätig war, am 16. Juli 1944:

Sehr froh bin ich, daß Klaus so guter Dinge sein soll! Er war längere Zeit so deprimiert. Nun, ich denke, alles, was ihn so bedrückt, wird bald wieder ganz in Ordnung kommen; ich würde es ihm und der ganzen Familie sehr wünschen.

Und eine Woche zuvor auch an Eberhard Bethge:

Wer weiß, vielleicht braucht es (das Briefeschreiben) garnicht mehr allzu oft zu sein und wir sehen uns bälder wieder als wir ahnen.

Um so schlimmer traf ihn dann die Nachricht von dem misslungenen Putsch am 20. Juli 1944. Bonhoeffer war nun deutlich bewusst, dass seine Chancen zu überleben sanken. Dennoch schrieb er am 21. Juli an Bethge, dass er dankbar und friedlich an Vergangenes und Gegenwärtiges denke. Aber das Unheil nahm seinen Lauf. Nahestehende Männer aus dem Widerstand wurden hingerichtet, darunter auch der Onkel Paul von Hase, Generalleutnant und Stadtkommandant von Berlin, der durch seinen Besuch bei Dietrich im Gefängnis für ihn manches erleichtert hatte.

Mit dem freundlichen Wärter Knobloch plante Dietrich dann die Flucht. Dafür besorgte die Familie Schleicher einen Monteuranzug, in dem Knobloch ihn aus dem Gefängnis herausschmuggeln wollte, aber es kam nicht mehr dazu, denn Klaus Bonhoeffer und Rüdiger Schleicher wurden verhaftet, kurz darauf Dietrich in das üble Hauptgefängnis der Gestapo in der Prinz-Albrecht-Straße verlegt, wohin auch Hans von Dohnanyi für eine Weile gekommen war, ehe er ins KZ Sachsenhausen gebracht wurde. Schließlich wurde auch Bethge noch, ein halbes Jahr vor Kriegsende, in Italien verhaftet und in das Gefängnis Lehrterstr. 3 gebracht, wo auch Rüdiger Schleicher und Klaus Bonhoeffer gefangen gehalten wurden.

Am 2. Februar 1945 wurden Klaus Bonhoeffer und Rüdiger Schleicher zum Tode verurteilt. Bethge berichtet über diesen Tag:

Als mich der Vater (Schwiegervater Rüdiger Sch.) erblickte und ich mich dem Ereignis gegenüber völlig hilflos fühlte, winkte er freundlich herauf und lächelte so herzlich, daß ich vollends verwirrt wurde. Klaus grüßte herauf, indem er sich mit einem kaum merklichen Ruck aufrichtete, wie um mir zu zeigen, wie man sich nun zu verhalten habe.

Klaus Bonhoeffer und Rüdiger Schleicher wurden am 23. April von der Gestapo erschossen.
Hans von Dohnanyi hatte, um vernehmungsunfähig zu sein, von seiner Frau (nachdem er sich anfangs schon Diphteriebazillen hatte schicken lassen und sehr krank geworden war) eine Ruhr-Kultur erbeten, weil er wusste, dass eine weitere Krankheit weniger gefährlich für ihn sein würde als die Verhöre. Aber sie rettete ihn nicht. Er wurde am 9. April im KZ Sachsenhausen umgebracht.
Seitdem Dietrich in der Prinz-Albrecht-Straße war, gelangten kaum noch Nachrichten von ihm an die Familie. Hin und wieder durfte man für ihn Wäsche abgeben. Nur noch drei Briefe verließen dieses Gefängnis, der letzte am 17. Januar 1945.

Mit einem dieser Briefe kam auch das Neujahrsgedicht Von guten Mächten …, das sehr bekannt geworden ist. Bonhoeffer, gedrängt von der ungeheuer beschwerten Situation der Familie, wollte ihr damit Zuversicht geben und zeigen, dass er selbst nicht verzweifelt war, sondern bereit und durch den Glauben fähig, das, was auf ihn zukommen würde, zu ertragen.