Как и следовало ожидать, о его решении стать двойным агентом у богословов часто возникали споры. Некоторые соглашались с его участием в политике, другие же не были согласны причислить его к числу мучеников-христиан, настаивая на том, что он умер скорее за политическое, чем за религиозное дело. Каким бы ни было заключение, один факт остается неоспоримым: Бонхёффер оценил альтернативы и решил рискнуть своей жизнью ради того, что, по его убеждению, было правильным.
5 апреля 1943 года он был заподозрен в измене и заключен в военную тюрьму Тегель в Берлине. Свидетельство против него было нечетким, однако его держали в заключении, и на свободу он уже никогда не вышел. Во время пребывания в тюрьме он написал свою книгу «Письма и статьи из тюрьмы», которая была тайно вынесена на свободу сочувствующими охранниками.
Он пылко критиковал ту форму религии, которая препятствовала искренней вере. Он был уверен, что абстрактные богословские споры часто затуманивали ответы, в которых отчаянно нуждались люди. По его словам, церковь заботилась о том, чтобы сохранить нетронутыми свои духовные привилегии. Она отвергла личную ответственность и оказалась неспособной проявить власть над «миром, достигшим полноты времен». Церковь может быть церковью только тогда, когда она действует смело во время нужды.
Когда бомбы союзников падали на тюрьму, Бонхёффер утешал других узников. Один заключенный отметил, что его посвящение Христу было очевидным и что каждый был тронут «его простой искренностью».
20 июля 1944 года план полковника Штауффенберга убить Гитлера потерпел неудачу. Это сразу же привело к уничтожению многих, кто хоть каким-то образом был заподозрен в связи с заговором. В октябре того же года Бонхёффер был переведен в тюрьму Гестапо в Берлине. В феврале 1945 года он был отправлен в концентрационный лагерь Бухенвальд.
Один из заключенных написал о Дитрихе: «Он был одним из тех немногих, когда-либо виденных мною людей, для которых их Бог был реальным и всегда был близок к ним». Еще один узник отметил: «Полностью спокойная и нормальная, находящаяся в совершенном покое, его душа сияла во тьме нашей тюрьмы. Он учился полностью отдавать себя в руки Божьи, серьезно относясь как к своим страданиям, так и к страданиям Бога в этом мире».
Два месяца спустя, по приказу Гиммлера Бонхёффера вместе с Канарисом и несколькими другими заключенными погрузили в тюремный фургон и повезли в лагерь смерти Флоссенбург. Через несколько дней они прибыли в маленькое селение Шёнберг, где заключенные были собраны в маленьком школьном здании, которое теперь использовалось в качестве временного карцера. Один из заключенных рассказывал, что Бонхёффер повел их в молитвенном служении по тексту «ранами Его мы исцелились», принеся утешение своим товарищам.
Дверь отворилась пинком, вошли двое сотрудников Гестапо, потребовав от Бонхёффера следовать за ними. Он немного задержался, чтобы со всеми попрощаться. Последними его записанными словами были «О, Боже, это — конец, и для меня — начало жизни».
Инсценированный судебный процесс над ним продолжался всю ночь вплоть до утра. Последняя картина о нем основана на описании, данном врачом, которого попросили присутствовать при казни. Он записал, что между пятью и шестью часами Бонхёффер вместе с тремя другими заключенными был поведен на казнь. Врач отметил, что, когда дверь открылась, он увидел пастора Бонхёффера все еще в тюремной одежде, молящегося своему Господу Богу.
Заключенным было приказано раздеться. Затем они были проведены на один лестничный пролет вниз под деревья к уединенному месту своей казни. Обнаженный, под виселицей в очаровательном весеннем лесу, Бонхёффер опустился на колени в своей последней молитве. Затем он мужественно и невозмутимо поднялся по ступенькам на виселицу. Спустя пять минут его жизнь прервалась. Это было 9 апреля 1945 года.
Говоря о вере Бонхёффера, врач написал: «Посвящение и явная твердая вера этого человека глубоко тронули меня... За почти пятьдесят лет моей работы врачом я вряд ли когда-либо видел человека, умирающего с таким полным смирением перед волей Божьей».
Три недели спустя Гитлер покончил жизнь самоубийством, а еще через неделю война в Европе закончилась. Нацизм, которому противостоял Бонхёффер, был посрамлен, и церковь, которую он так пылко порицал, получила возможность поразмыслить о своем малодушии. Послание о Кресте, которое было потеряно в опьяняющие дни национальных побед, следовало вернуть назад.