張琦翔回憶，抗戰勝利後，華北逮捕漢奸，用的是請客的方式。戴笠讓汪時璟出面在汪家宴請漢奸們，吃過飯，當場宣布拘留他們。周作人、錢稻蓀與汪素無往來，故沒有敷衍。二人是在當夜，軍警以查戶口為名，從家中帶走的。當軍警用槍械指著周要逮捕他時，周說：「我是讀書人，用不著這樣子。」
周作人被捕後，先被關押在北平炮局衚衕的陸軍監獄。周晚年回憶道：「在北京的炮局是歸中統的特務管理的，諸事要嚴格一點，各人編一個號碼，晚上要分房按號點呼，年過六十的雲予優待，聚居東西大監，特許用火爐取暖，但煤須自己購備，吃飯六人一桌，本來有菜兩缽，亦特予倍給。」獄中規定家人每月可會間一次，送錢一次；據說，送錢最多的高達二十萬元，周作人最少，每次僅五千元。
徐淦記載：「風聞在蔣（介石）的壽辰上，有三位國民黨的要員趁慶賀之機，聯名上書，求蔣給予周作人特赦，但蔣說：『別人可赦，周作人不可赦，因為他親共。』據傳那三位要員當中為首的是張群，話是從張群的機要秘書口中傳出的。」
1946年春，北平一些文化教育界知名人士，聯名上書國民政府，為周作人說情。他們請鄭天挺在請求書上簽字，遭到鄭的拒絕，鄭說：「在周任敵偽北大文學院長時，也確實為學校圖書館弄來不少善本珍籍。但我覺得，一個教授應當有起碼的民族氣節。周曾任偽教育總署督辦，這是不能原諒的。」
在炮局衚衕關押半年後，周作人等十四人被押解往南京受審。《申報》發表標題為《巨奸王蔭泰等十四人，昨由平解京審理，古城觀者如堵，呼罵聲不絕》的文章，說：「群奸今晨五時被檢查血壓時，方知解京受審，乃慌忙寫下『遺書』，招致家人，語多勸家人勿憂，而有戀戀不捨之意。……周作人光頭衣著最為陳舊……上車前記者逐一問感想……周作人說：『我始終等待被捕，無感想。』周瘦得多了，態度仍很『冷淡』……上機前逐一衡量體重……書生周作人最輕，52公斤。每人許攜物15公斤，大多為衣被書籍及針線，周攜其自著之《談龍集》……」
據說，周作人在上飛機前曾抄舊詩一首示人：「年年乞巧徒成拙，烏鵲填橋事大難。猶是世尊悲憫意，不如市井鬧盂蘭。」其在押解途中寫有詩二首：「羼提未足檀施薄，日暮途窮究可哀。誓願不隨形壽盡，但憑一葦渡江來。」「東望浙江白日斜，故園雖好已無家。貪痴滅盡余嗔在，賣卻黃牛入若耶。」
周作人在「自白書」中為自己辯護道：「初擬賣文為主，嗣因環境惡劣，於1938年1月1日在家遇刺，幸未致命，從此大受威脅……以湯爾和再三慫恿，始出任偽北京大學教授兼該偽校文學院院長，以為學校可偽學生不偽，政府雖偽，教育不可使偽，參加偽組織之動機完全在於維持教育，抵抗奴化……」
1946年7月19日，南京高等法院對周作人案進行了第一次公開審理，《申報》報道了此次審理過程：「周逆作人十九日晨十時，在首都高院受審，歷時二旬鍾，以證據尚待調查，庭諭定八月九日再審。周逆昔日小有文名，今日旁聽席上，特多男女青年。審訊前段，被告答覆從逆前之經歷，頗以二十年北大文科教授之任自傲。述其附逆動機；狡稱：旨在『維持教育，抵抗奴化』。庭長當斥以身為人師，豈可失節。周逆答辯謂：『頭二等的教育家都走了，像我這樣三四等的人，不出來勉為其難，不致讓五六等的壞人，愈弄愈糟。』並稱，二十六年秋，留平不去，系因年邁，奉北大校長蔣夢麟之囑為『留平四教授』之一，照料北大者，惟對其二十八年之任華北政務委員會常委兼教育總署督辦，以及東亞文化協議會會長，華北綜合研究所副理事長，偽新民會委員，偽華北新報社理事等職，則期期艾艾，對答之間頗感尷尬，但仍東拉西扯，以二十八年元旦之被刺，『中國中心思想問題』論戰，以及勝利後朱校長家驊之華北觀感等，作為渠有利抗戰之證據，庭上當諭以證據頗確鑿有力，當諭以為便收集，特寬限三星期再行公審，周逆乃於汗流浹背下狼狽還押。」
關於周作人所說受北大之託管理校產，法庭就此事詢問了當年的北大校長蔣夢麟，蔣複信稱確有其事。法庭還曾詢問時任北大校長的胡適，胡復函稱周在偽北大文學院長任內，保管圖書很為周到，未受損失，並且有增無減。
宣判前，記者黃裳到南京老虎橋獄中訪問周作人，其報道《老虎橋邊看『知堂』》寫道：「一會兒，我在窗外看見一位獄吏帶了一個老頭兒來了。這是我第一次看見周作人，不過在印象中，是早已有了一個影了的，現在看看『正身』，大抵差不多。他穿了府綢短衫褲，淺藍襪子，青布鞋，光頭，瘦削，右邊龐上有老年人常有的瘢痕，寸許的短髭灰白間雜，金絲眼鏡（這是他在一篇文章中提到過的『唯一』的一副金器，三十年前的老樣子）。」
周作人因賣國罪被判死刑，胡適等人使盡渾身解數，將他從槍口下奪回，他被判有期徒刑十四年，後改為十年，一直在南京老虎橋監獄服刑。在獄中三年多，他除了每日讀書外，寫了二百多首詩作，還翻譯了英國勞斯所著的《希臘的神與英雄》。
周作人曾記錄他在獄中的一些趣事：他所住的忠舍的一些富翁用錢賄絡監獄看守人員，從外面帶進來很多諸如煙酒之類的違禁物品，生活得十分愜意。其中有個老頭，據說是曾經斗垮「紅頂商人」胡雪岩的鉅賈盛宣懷的侄子，因販鴉片積聚了些錢財，他將全舍上下從獄卒到所長通通打點了一遍，所以忠舍里的人都叫他「老太爺」。周作人經常找一個殺人犯幫他理髮，此人因鬥毆誤殺一人被判死刑，後改有期。「把頭顱託付於他，沒有覺得什麼不放心的，叫一個殺人犯來剃頭，當初一聽卻是駭人聽聞的了」。
1949年元旦，周作人經友人保釋出獄，離開時，周作人作詩云：「一千一百五十日，且作浮屠學閉關，今日出門橋上望，菰蒲零落滿溪間。」
出獄後，周作人到了上海，徐淦和陶亢德兩人去探望他，周作人「頗像坐關和尚」，更顯老態和憔悴，問起獄中的生活，他說：「還好。獄官特許我翻譯英國勞斯寫的那部希臘神話和作作打油詩解悶。至於飯呢，不像在北京時吃窩窩頭，但南京的米真差，米商還在米中摻砂子。不過牢房內有錢的犯人照樣買通牢頭，三天兩頭從外面的館子里叫進雞鴨魚肉來吃。我和沒錢的同窗有時也沾點光。」徐淦常去看他，見他有時獨坐亭子間中，用32張骨牌玩大無關、擺天字的遊戲。