陳獨秀一生四次被捕，1932年更是被國民黨政府判處有期徒刑八年。陳曾有名言：「我們青年要立志出了研究室就入監獄，出了監獄就入研究室，這才是人生最高尚最優美的生活。」此為陳身體力行的自箴之詞。
五四運動爆發後，陳獨秀寫了《北京市民宣言》，做成傳單散發。6月10日，高一涵和陳獨秀一起到中央公園（今中山公園），乘吃茶的人離開茶座時把《宣言》放在沒有人的桌子上，用茶杯壓好。等到吃茶的人回到原桌子來，看到傳單，讀後大聲叫好，拍手歡呼。
1919年6月11日傍晚七點，陳獨秀與高一涵等人到新世界附近的飯館聚餐，陳隨身帶了千餘份傳單。晚餐後約八點多，陳西裝革履，頭戴白帽，前往新世界遊藝場，伺機散發傳單。到新世界後，陳見戲場、書場、撞球場內，皆有電燈照耀，如同白日，不好散發，於是潛入了第五層的屋頂花園，這裡既無遊人，也無電燈。時間已近十點，恰好四層的樓台正放露天電影，陳一揚手，傳單飄向人群。
幾日前，警察署查獲了一張傳單，說將在新世界安置炸彈，於是警察署立即在新世界加派了便衣偵探，每天晚間分布在各樓嚴密偵查。白帽西服的陳獨秀因上下樓頻繁，而且衣服兜中鼓脹，引起了偵探的注意。當陳在五樓屋頂花園準備再次拋撒傳單時，藏在暗處的警察立即上前將陳抓住。因新世界處於鬧市繁華地帶，為避免引起公眾注意，一名偵探脫下灰色大褂將陳罩住，秘密押往警察署。
在押送陳獨秀的路上，步軍統領衙門與警察署發生爭執，他們都想將陳送往自己的部門進行處理。由於區警察署的便衣人數佔優，陳才被送至警署。之後，在對陳的處理上，步軍統領王懷慶和警察總監吳炳湘又發生爭執，王想以治安妨害繩以軍法，吳想以違反警律處置。二人爭執到總統徐世昌處，徐以送法庭判決結束爭執。王懷慶正是陳獨秀的傳單《告北京市民宣言》要求罷免官職並驅逐出京的6人之一，對陳恨之入骨，主張「非嚴辦不可」；吳炳湘則是陳的安徽同鄉，態度較為緩和。幸虧吳炳湘的堅持不讓，否則陳若落入王懷慶之手，生還希望必定十分渺茫。
陳獨秀被捕後，各方勢力均發表聲明通電，要求釋放陳獨秀：15日，在北大學生的努力下，北京中等以上學校學生聯合會率先致函京師警察廳；次日，北京大學教授劉師培、馬裕藻、馬敘倫、程演生、王星拱等知名教授40人（其中不少為反對新文化運動的舊學者）聯名致函警察總監；20日，民國大學校長應善以，聯名中國大學、北京高等師範學校、北京大學、新華商業專門學校等學校29人，致函警察總監；6月22日，章士釗分别致電龔心湛、王克敏等政要，聲明自己願為擔保，要求釋放陳；26日，安徽省長呂調元也致電吳炳湘；廣東軍政府主席總裁岑春煊致電當局，要求釋放陳獨秀。
遠在上海的孫中山在會見徐世昌、段祺瑞的和談代表許世英時，鄭重地提出了陳獨秀在北京被捕之事。他對許世英說：「你們做了『好事』，很足以使國人相信，我反對你們是不錯的。」又說：「你們也不敢把他（陳獨秀）殺死。死了一個，就會增加五十、一百個。你們儘管做吧！」許世英聽說，連連表示：「不該！不該！我就打電報回去。」
近代教育的先驅者嚴范孫之子嚴智怡帶著父親的手書找到私交深厚的總統徐世昌為陳獨秀說情，徐開始以「這是司法部的事」推脫。嚴智怡說：「陳獨秀生平的言論思想是一件事，陳獨秀因嫌疑傳單被拘又是一件事，不能拿他平日的言行來裁判他……大學為新思想發源地，無論什麼思想都要拿來研究的……怎能夠去干涉他呢？藉新舊思想暗潮來興『文字獄』，實在於教育前途有礙。」徐世昌聽了，「頗動容」，應允「維持」。
嚴智怡出總統府後，又去遊說司法總長朱深，朱推辭說：此案「現在尚沒有交到司法界，所以不能過問」。經過嚴再三說明「文字獄」的厲害，最後，朱深也答應「維持」。
經多方營救，而陳獨秀又自始至終只承認散發傳單，不承認傳單內容為自己所撰，故9月16日，警察廳同意安徽同鄉會以陳獨秀胃病為由，保釋出獄。陳出獄前具結道：「自被查拘，頗為覺悟，以後安心學問，並在北京就正當職業，以謀生計，不再作越出法律範圍舉動。」出獄當天，北大同學會召開歡迎會，歡迎陳獨秀出獄。
出獄後，陳獨秀的行蹤仍舊受到警察署的嚴密監視。據檔案記載，一次，一名石姓警員因接到上級電話問詢陳獨秀是否在京時，因茫然不知而以「有失職責」給予記大過一次。
1921年10月，在上海的陳獨秀第二次被捕，同時被捕的還有正在陳家打麻將的高君曼、楊明齋、柯慶施及包惠僧。周佛海本來也在打麻將，但因包惠僧到來後被替下，與戀人楊淑慧離開陳家去了法國公園，才得以倖免。
被捕後，巡捕房原本不知陳獨秀的真實身份，因為陳自稱王坦甫，包惠僧、高君曼等人也都用了化名。但此後，上海法院院長褚輔成及《民國日報·覺悟》主編邵力子到陳家拜訪，被留在陳家的巡捕帶到了巡捕房。褚輔成見到陳後，脫口而出：「仲甫，怎麼回事，一到你家就把我搞到這兒來了！」於是陳獨秀身份就暴露了。
陳獨秀此次被捕的罪名是編輯過激書籍，出版過激刊物。馬林為陳獨秀花錢請了法國律師，陳只被關了兩天就出來了。開庭當日，李達、張太雷、張國燾和一些剛從莫斯科回來的青年團員雇了一輛汽車開到會審公堂。陳獨秀上車時，幾位青年團員用俄語唱起了《國際歌》。經過馬林的努力，陳只被判罰五千元。
1922年8月9日上午，上海法租界總巡捕房特別機關探目長西德納、督察員黃金榮等包圍陳獨秀住處，將陳逮捕，罪名是家中藏有違禁書籍。據陳說，有人造謠中傷，「說我們得了俄羅斯的巨款」，於是聽信謠言的「華探楊某……向我的朋友董、白二君示意要敲竹杠，……窮人無錢被敲，我當時只得挺身就捕」。
開庭時，陳獨秀的律師博勒律師辯護道：「捕房講陳獨秀是共產黨，證據不足。陳獨秀在著作中提到共產黨，只是說說而已，並無共產黨之實……陳獨秀家中確實有《新青年》雜誌，但他家僅有此書，並無印刷設備，因此也不違背法租界條例。」法副領事拿著一張條子問：「上次我們在陳家搜查到了陳獨秀寫的40000元收條，能說清此款用途嗎？」博勒說：「該款是廣東政府用來辦教育的，陳獨秀是原廣東省教育委員長，由他經手撥給學校。」最後，法官判罰陳獨秀大洋400元，由保人保出，所抄書籍，一律銷毀。
1932年10月15日晚，因患胃潰瘍卧床在家的陳獨秀被國民黨政府逮捕。宋逢春回憶，陳獨秀被捕後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，還開玩笑說：「嗨，原以為就我一個人被捕，沒想到你們都來了。這下我可有伴了，可以鬆快鬆快了。」談及叛變出賣他的謝少珊時，陳說：「這孩子膽子小，上一回逮捕他就表現出來很慌張，很不成熟。」
陳獨秀被捕後，國民黨許多省、市、縣、鄉的「黨部」紛紛致電國民黨中央當局，要求對陳「嚴懲」、「處極刑」、「明正典刑」、「迅予處決」。《中央日報》亦發表社評，宣稱「反對並圖顛覆國民黨者，即為叛國」。
營救陳獨秀的亦大有人在：《申報》刊出蔡元培、柳亞子、楊杏佛、林語堂、潘光旦、董仁堅、全增嘏、朱少屏合署的《快郵代電》；傅斯年發表《陳獨秀案》一文，說政府決無在今日「殺這個中國革命史上光焰萬丈的大彗星之理！」蔣夢麟、劉復、周作人、陶履恭、錢玄同、沈兼士等12人致電張靜江、陳果夫，請二人說情，二人照辦；胡適、翁文灝、羅文干、柏文蔚等或致電蔣或私下奔走，以求從寬處理；胡適還到處發表演說，高度評價陳獨秀對中國文學和中國革命貢獻，以求輿論的支持；愛因斯坦、英國哲學家羅素、美國教育學家杜威也相繼給蔣介石拍電報，要求釋放陳獨秀。
陳獨秀押解到軍法司後，提出要看書，軍法司的人說沒有接到上級命令，只可以看孫中山的書，於是陳便讓他們找來幾本孫中山的小冊子。何應欽傳訊陳之後，軍法司的王振南答應借一套《水滸》給陳獨秀看。
國民黨查明陳獨秀此時確與中央蘇區和中央紅軍無聯繫後，蔣介石採納翁文灝、胡適等人的意見，將陳獨秀案交南京地區的江寧法院公開審判。1933年4月26日，江蘇高等法院作出判決，以「文字為叛國之宣傳」罪判處陳有期徒刑13年。陳獨秀當場起立大聲抗議道：「我是叛國民黨，不是叛國。」聲明上訴。次年6月30日，國民黨最高法院作出終審判決，仍認定陳獨秀犯有「以文字為叛國之宣傳」罪，但將陳的刑期改為8年。
陳獨秀被公審時，需要請辯護律師。陳說：「我是一個窮措大，沒錢。」消息傳出，章士釗、張耀曾、董康、鄭毓秀、彭望鄴、吳之屏、汪有齡、郭蔚然等名律