W styczniu 1943 zaręczył się z Marią von Wedemayer, a 5 kwietnia został aresztowany pod ogólnym zarzutem „osłabiania potencjału wojennego Niemiec”, wobec braku konkretnych dowodów uczestnictwa w spisku przeciw Hitlerowi. Wpływy Canarisa nie były wystarczające, aby Bonhoeffera uwolnić, ale pozwoliły na przeniesienie go z aresztu policyjnego gestapo do względnie spokojnego więzienia w Berlinie, w którym wiele pisał. Jego zapiski ukazały się po wojnie w tomie pt. Widerstand und Ergebung („Opór i poddanie”).
Nie skorzystał z możliwości ucieczki z więzienia, a po nieudanym zamachu na Hitlera 20 lipca 1944 i wykryciu związku z tym zamachem Canarisa i grupy współpracujących z nim oficerów – oraz Bonhoeffera – pastor został w październiku 1944 przeniesiony ponownie do więzienia gestapo. Stamtąd trafił do obozu koncentracyjnego w Buchenwaldzie. Hitler nie zapomniał o nim nawet w obliczu katastrofy Niemiec: na jego osobisty rozkaz 9 kwietnia 1945, dwa tygodnie przed wkroczeniem Amerykanów, Bonhoeffer wraz z admirałem Canarisem i generałem Osterem został postawiony przed trybunałem doraźnym, skazany i stracony na szubienicy w obozie Flossenbürg.