1919年6月11日傍晚七点，陈独秀与高一涵等人到新世界附近的饭馆聚餐，陈随身带了千余份传单。晚餐后约八点多，陈西装革履，头戴白帽，前往新世界游艺场，伺机散发传单。到新世界后，陈见戏场、书场、台球场内，皆有电灯照耀，如同白日，不好散发，于是潜入了第五层的屋顶花园，这里既无游人，也无电灯。时间已近十点，恰好四层的楼台正放露天电影，陈一扬手，传单飘向人群。
几日前，警察署查获了一张传单，说将在新世界安置炸弹，于是警察署立即在新世界加派了便衣侦探，每天晚间分布在各楼严密侦查。白帽西服的陈独秀因上下楼频繁，而且衣服兜中鼓胀，引起了侦探的注意。当陈在五楼屋顶花园准备再次抛撒传单时，藏在暗处的警察立即上前将陈抓住。因新世界处于闹市繁华地带，为避免引起公众注意，一名侦探脱下灰色大褂将陈罩住，秘密押往警察署。
在押送陈独秀的路上，步军统领衙门与警察署发生争执，他们都想将陈送往自己的部门进行处理。由于区警察署的便衣人数占优，陈才被送至警署。之后，在对陈的处理上，步军统领王怀庆和警察总监吴炳湘又发生争执，王想以治安妨害绳以军法，吴想以违反警律处置。二人争执到总统徐世昌处，徐以送法庭判决结束争执。王怀庆正是陈独秀的传单《告北京市民宣言》要求罢免官职并驱逐出京的6人之一，对陈恨之入骨，主张“非严办不可”；吴炳湘则是陈的安徽同乡，态度较为缓和。幸亏吴炳湘的坚持不让，否则陈若落入王怀庆之手，生还希望必定十分渺茫。
陈独秀被捕后，各方势力均发表声明通电，要求释放陈独秀：15日，在北大学生的努力下，北京中等以上学校学生联合会率先致函京师警察厅；次日，北京大学教授刘师培、马裕藻、马叙伦、程演生、王星拱等知名教授40人（其中不少为反对新文化运动的旧学者）联名致函警察总监；20日，民国大学校长应善以，联名中国大学、北京高等师范学校、北京大学、新华商业专门学校等学校29人，致函警察总监；6月22日，章士钊分别致电龚心湛、王克敏等政要，声明自己愿为担保，要求释放陈；26日，安徽省长吕调元也致电吴炳湘；广东军政府主席总裁岑春煊致电当局，要求释放陈独秀。
远在上海的孙中山在会见徐世昌、段祺瑞的和谈代表许世英时，郑重地提出了陈独秀在北京被捕之事。他对许世英说：“你们做了‘好事’，很足以使国人相信，我反对你们是不错的。”又说：“你们也不敢把他（陈独秀）杀死。死了一个，就会增加五十、一百个。你们尽管做吧！”许世英听说，连连表示：“不该！不该！我就打电报回去。”
近代教育的先驱者严范孙之子严智怡带着父亲的手书找到私交深厚的总统徐世昌为陈独秀说情，徐开始以“这是司法部的事”推脱。严智怡说：“陈独秀生平的言论思想是一件事，陈独秀因嫌疑传单被拘又是一件事，不能拿他平日的言行来裁判他……大学为新思想发源地，无论什么思想都要拿来研究的……怎能够去干涉他呢？藉新旧思想暗潮来兴‘文字狱’，实在于教育前途有碍。”徐世昌听了，“颇动容”，应允“维持”。
严智怡出总统府后，又去游说司法总长朱深，朱推辞说：此案“现在尚没有交到司法界，所以不能过问”。经过严再三说明“文字狱”的厉害，最后，朱深也答应“维持”。
经多方营救，而陈独秀又自始至终只承认散发传单，不承认传单内容为自己所撰，故9月16日，警察厅同意安徽同乡会以陈独秀胃病为由，保释出狱。陈出狱前具结道：“自被查拘，颇为觉悟，以后安心学问，并在北京就正当职业，以谋生计，不再作越出法律范围举动。”出狱当天，北大同学会召开欢迎会，欢迎陈独秀出狱。
出狱后，陈独秀的行踪仍旧受到警察署的严密监视。据档案记载，一次，一名石姓警员因接到上级电话问询陈独秀是否在京时，因茫然不知而以“有失职责”给予记大过一次。
1921年10月，在上海的陈独秀第二次被捕，同时被捕的还有正在陈家打麻将的高君曼、杨明斋、柯庆施及包惠僧。周佛海本来也在打麻将，但因包惠僧到来后被替下，与恋人杨淑慧离开陈家去了法国公园，才得以幸免。
被捕后，巡捕房原本不知陈独秀的真实身份，因为陈自称王坦甫，包惠僧、高君曼等人也都用了化名。但此后，上海法院院长褚辅成及《民国日报·觉悟》主编邵力子到陈家拜访，被留在陈家的巡捕带到了巡捕房。褚辅成见到陈后，脱口而出：“仲甫，怎么回事，一到你家就把我搞到这儿来了！”于是陈独秀身份就暴露了。
陈独秀此次被捕的罪名是编辑过激书籍，出版过激刊物。马林为陈独秀花钱请了法国律师，陈只被关了两天就出来了。开庭当日，李达、张太雷、张国焘和一些刚从莫斯科回来的青年团员雇了一辆汽车开到会审公堂。陈独秀上车时，几位青年团员用俄语唱起了《国际歌》。经过马林的努力，陈只被判罚五千元。
1922年8月9日上午，上海法租界总巡捕房特别机关探目长西德纳、督察员黄金荣等包围陈独秀住处，将陈逮捕，罪名是家中藏有违禁书籍。据陈说，有人造谣中伤，“说我们得了俄罗斯的巨款”，于是听信谣言的“华探杨某……向我的朋友董、白二君示意要敲竹杠，……穷人无钱被敲，我当时只得挺身就捕”。
开庭时，陈独秀的律师博勒律师辩护道：“捕房讲陈独秀是共产党，证据不足。陈独秀在著作中提到共产党，只是说说而已，并无共产党之实……陈独秀家中确实有《新青年》杂志，但他家仅有此书，并无印刷设备，因此也不违背法租界条例。”法副领事拿着一张条子问：“上次我们在陈家搜查到了陈独秀写的40000元收条，能说清此款用途吗？”博勒说：“该款是广东政府用来办教育的，陈独秀是原广东省教育委员长，由他经手拨给学校。”最后，法官判罚陈独秀大洋400元，由保人保出，所抄书籍，一律销毁。
1932年10月15日晚，因患胃溃疡卧床在家的陈独秀被国民党政府逮捕。宋逢春回忆，陈独秀被捕后被押到租界巡捕房看守所，看到先行被捕的彭述之、宋逢春等人，还开玩笑说：“嗨，原以为就我一个人被捕，没想到你们都来了。这下我可有伴了，可以松快松快了。”谈及叛变出卖他的谢少珊时，陈说：“这孩子胆子小，上一回逮捕他就表现出来很慌张，很不成熟。”
陈独秀被捕后，国民党许多省、市、县、乡的“党部”纷纷致电国民党中央当局，要求对陈“严惩”、“处极刑”、“明正典刑”、“迅予处决”。《中央日报》亦发表社评，宣称“反对并图颠覆国民党者，即为叛国”。
营救陈独秀的亦大有人在：《申报》刊出蔡元培、柳亚子、杨杏佛、林语堂、潘光旦、董仁坚、全增嘏、朱少屏合署的《快邮代电》；傅斯年发表《陈独秀案》一文，说政府决无在今日“杀这个中国革命史上光焰万丈的大彗星之理！”蒋梦麟、刘复、周作人、陶履恭、钱玄同、沈兼士等12人致电张静江、陈果夫，请二人说情，二人照办；胡适、翁文灏、罗文干、柏文蔚等或致电蒋或私下奔走，以求从宽处理；胡适还到处发表演说，高度评价陈独秀对中国文学和中国革命贡献，以求舆论的支持；爱因斯坦、英国哲学家罗素、美国教育学家杜威也相继给蒋介石拍电报，要求释放陈独秀。
陈独秀押解到军法司后，提出要看书，军法司的人说没有接到上级命令，只可以看孙中山的书，于是陈便让他们找来几本孙中山的小册子。何应钦传讯陈之后，军法司的王振南答应借一套《水浒》给陈独秀看。
国民党查明陈独秀此时确与中央苏区和中央红军无联系后，蒋介石采纳翁文灏、胡适等人的意见，将陈独秀案交南京地区的江宁法院公开审判。1933年4月26日，江苏高等法院作出判决，以“文字为叛国之宣传”罪判处陈有期徒刑13年。陈独秀当场起立大声抗议道：“我是叛国民党，不是叛国。”声明上诉。次年6月30日，国民党最高法院作出终审判决，仍认定陈独秀犯有“以文字为叛国之宣传”罪，但将陈的刑期改为8年。
陈独秀被公审时，需要请辩护律师。陈说：“我是一个穷措大，没钱。”消息传出，章士钊、张耀曾、董康、郑毓秀、彭望邺、吴之屏、汪有龄、郭蔚然等名律师都自告奋勇愿做义务辩护人，最后陈独秀选择了章士钊作辩护人。
陈独秀的自撰《辩诉状》写出后，上海各报慑于国民党的高压，只字不敢刊载，独有《申报》别出心裁，在《地方通讯》栏内用“苏州通讯”的形式发表了《辩诉状》的要点。
陈独秀入狱后，仍与狱外托派组织保持联系。郑超鳞的妻子刘静贞自告奋勇担任交通员，奔走于上海南京之间，每月一次，从未间断。据刘静贞说，有时搜查甚严，有时也马虎一点，她总是把文件扎在月经带上，使他们无法搜查。
南京老虎桥监狱为收押陈独秀这个大人物，特申请了很大一笔款，把他住的牢房翻修一新。起初，监狱看管甚严，不许他看书看报，也不许探监。陈抗议道：“你们执行恶法，我拼老命也要反抗。”典狱长说：“恶法胜于无法。”陈独秀说：“恶法就要打倒。”典狱长说：“我无权打倒它。”陈破口大骂，并以绝食抗议。狱方终于屈服，三不准变成了三允许，陈独秀就把牢房变成了图书室和会客室。
陈独秀住的是单身牢房，每日接见亲友，从不间断，且牢房里破例放置了两个大书架，允许陈的朋友从狱外带进书籍，包括马克思主义的书籍，方便陈读书写作。从1934年开始，陈的女友潘兰珍移居南京，经狱方许可，每天上午9点至下午5点，到狱中照顾陈生活。因其有病，狱方同意在治病之外，同狱的濮清泉和罗世藩每周可去做一次看护，发病时则不受此限。
陈独秀的友人们从各个方面对陈进行帮助：蔡元培主要是对陈作政治营救；高语罕主要是帮助陈处理上海的家庭事务；章士钊除为陈辩护之外，还介绍医生为之看病；汪原放主要是为陈寻找和寄送他所开列的各种书籍；陈的学生、时任国民党政府教育部政务处长的段锡朋在陈被捕后就前来探监，为陈带出给其他友人的信件，多次赠送衣物食品，后来潘兰珍来南京，也是借住在段家；陈公博、蒋梦麟、杨亮功等人也前来探望，赠衣送食。
1936年，托派陈其昌希望能将与左联发生龃龉的鲁迅拉入托派阵营，曾写信给鲁迅，支持其反对周扬。鲁迅对陈其昌极为不屑，在公开信中对其嘲讽一番。陈独秀得知后，在狱中写信责问托派，为什么对鲁迅发生幻想，说：“鲁迅之于共产党，如吴稚晖之于国民党，受捧之余，感恩图报，决不能再有不计利害的是非心了。”
一天，国民党教育部政务处长段锡朋到监狱拜望陈独秀。段锡朋等表示，将努力与政府周旋，以期早日保释他出狱。陈答：“我现在虽然是有期徒刑，实际上是无期徒刑。我现在年事已高，哪能等期满出狱呢？现在我真不愿出去，那有像这个地方清静安适。”段又问他是否需要冬季御寒的棉衣，他又十分开心地说：“我先后收到送我的皮袍有十四件之多，正苦无法遣送呢。”
抗战爆发后，日军空袭南京，陈独秀狱室被炸塌。胡适恰好正在南京参加庐山谈话会，听说后大急，会同张伯苓、陈中凡等人多方奔走呼吁，要求释放陈独秀。胡适还写信给汪精卫，请司法院设法开释陈独秀。8月21日（距离狱室被炸8天），司法院院长居正将《请将陈独秀减刑》的公文呈报南京国民政府主席林森，林森当日即批准呈文，向司法院发出了《国民政府指令》，司法院旋即又给司法行政部长王用宾发出“训令”，司法行政部马上在报上刊登释放陈独秀的明令，整个过程竟然在一日内完成。于是，陈独秀获释出狱。
陈独秀出狱时，调查统计局第三处处长丁默邨（原共产党员）来到狱所。丁对陈说奉上级之命，备有专车，接陈独秀及其夫人到国民党中央党部招待所去住。陈坚决拒绝了，并向丁表示，他已接受了傅斯年的邀请到他家暂时安身，丁只有叹息作罢。
陈独秀出狱的当天，天津的《大公报》发表了题为《陈独秀减刑》的短评，对他的出狱寄予了厚望：“当国家大危难之际，大家的思想和行动都已统一在一个情绪之下，对日抗战之外，再无其他问题。我们欢迎这位老斗士出狱，为他的祖国努力！”
独立
1937年，上海的托派统一组织知道陈独秀出狱后，派人来到南京，要求陈重回上海参与托派组织活动。陈深感托派组织内部的人际关系之复杂，而其与彭述之、刘家良关系不睦，故拒绝回到上海。
罗汉想让陈独秀与中共合作，托派得知后大为震怒，发表声明撇清与陈独秀、罗汉的关系：“以前或今后，如有与此类似的任何个人行动，皆与本同盟全体无关，合并声明。”对于托派的声明，陈独秀说：“我只注重我自己独立的思想，不迁就任何人的意见，我在此所发表的言论，已向人广泛声明过，只是我一个人的意见，不代表任何人。我已不隶属任何党派了，不受任何人的命令指使，自作主张自负责任，将来谁是朋友，现在完全不知道。我绝不怕孤立。”
