В служебной документации и переписке между жандармерией и тайной полицией назывался «врагом Российской империи номер один». Поводом для ареста послужило перехваченное полицией письмо Герцена к Н. А. Серно-Соловьевичу, в котором упоминалось имя Чернышевского в связи с предложением издавать запрещенный «Современник» в Лондоне.
Следствие продолжалось около полутора лет. Чернышевский вел упорную борьбу со следственной комиссией. В виде протеста против незаконных действий следственной комиссии Чернышевский объявил голодовку, которая продолжалась девять дней. Вместе с тем Чернышевский продолжал работать и в тюрьме. За 678 суток ареста Чернышевский написал текстовых материалов в объёме не менее 200 авторских листов. Наиболее полномасштабно утопические идеалы арестантом Чернышевским были выражены в романе «Что делать?» (1863), опубликованном в 3, 4 и 5 номерах «Современника».
Каторга и ссылка
7 февраля 1864 года сенатором М. М. Карниолиным-Пинским был объявлен приговор по делу Чернышевского: ссылка на каторжные работы сроком на 14 лет, а затем поселение в Сибири пожизненно. Александр II уменьшил срок каторжных работ до семи лет, в целом Чернышевский пробыл в тюрьме и на каторге свыше двадцати лет.
19 мая 1864 года в Петербурге на Конной площади состоялась гражданская казнь революционера [11]. Был отправлен в Нерчинскую каторгу; в 1866 году переведен в Александровский завод Нерчинского округа, в 1871 в Вилюйск. В 1874 году ему официально предложено освобождение, но он отказывается подать прошение о помиловании.
Организатором одной из попыток освобождения Чернышевского (1871) из ссылки был Г. А. Лопатин. В 1875 г. освободить Чернышевского попытался И. Н. Мышкин. В 1883 г. Чернышевского перевели в Астрахань (по некоторым данным, в этот период переписчиком у него работал Константин Фёдоров).