Но уже 27 августа 1908 года Махно вновь был арестован. Ему инкриминировали убийство провокатора. Сохранилась полицейская карточка «преступника» Н. Махно, в которой значилось: рост Махно 2 аршина и 4 вершка, глаза карие, волосы темно-русые, шрам на левой щеке; разговаривает на малороссийском и русском языках, православный, во время ареста денег и ценных вещей не обнаружено…
Следствие по делу гуляйпольских анархистов тянулось около полутора лет. На следствии Нестор заявил, что не принадлежит к разбойничьей шайке, а является членом политической революционной организации, которая борется за свободу. В марте 1910 года состоялся военный суд, рассматривавший дело 13 гуляйпольских анархистов. Пятерых анархистов, одним из которых был Махно, приговорили к казни через повешение. 52 дня просидел Нестор в камере смертников. Это объясняется тем, что Махно заболел тифом. Тяжелая болезнь спасла смертника, который отказался подписать ходатайство о помиловании. Мать Нестора выяснила у военного прокурора, что смягчения приговора ее сыну можно добиться, доказав, что в момент совершения преступления Нестор был несовершеннолетним, и обратилась с просьбой о помиловании во все инстанции. Она настаивала на пересмотре дела в связи с несовершеннолетием Нестора (совершеннолетия тогда достигали в 21 год). В результате смертная казнь Махно была заменена пожизненной каторгой.
С августа 1911 года Нестор отбывал наказание в Московской центральной тюрьме (Бутырке). Все попытки сбежать оттуда, которые предпринимал Махно, завершились неудачей. Глубокая депрессия и ужасные условия карцера спровоцировали тяжелую болезнь — туберкулез, что вынудило тюремного врача удалить Нестору одно легкое… В тюрьме Нестор получил «университетское», как он сам впоследствии иронизировал, образование: как губка он впитывал в себя политические знания своих сокамерников. Близко сошелся Нестор с Петром Мариным (П. Аршинов), с которым впоследствии на протяжении 20 лет поддерживал дружеские отношения. Судьбы этих бунтарей с момента встречи тесно переплелись.
2 марта 1917 года, когда восставший народ уже полностью контролировал положение в Москве, политические заключенные вышли из московских тюрем с ореолом героев-мучеников: возле тюремных ворот их встречали веселые толпы людей с цветами и подарками. Среди освобожденных были и анархисты Махно и Аршинов. В конце марта Нестор приехал в родное село, где его восторженно встретили земляки как «заслуженного революционера». На волне революции власть в волостном центре перешла к выборному Комитету общественного спасения, в состав которого вошел Махно, ставший председателем Крестьянского союза Гуляйпольской волости. Затем Махно был избран председателем местных советов и возглавил почти все выборные организации села: земельный комитет, профсоюз металлистов и деревообработчиков, районную милицию, больничную кассу.
Воспользовавшись хаосом в стране во время мятежа Корнилова и соперничеством политических блоков в Украине, Комитет защиты революции Гуляйполя, который возглавлял Махно, принял решение о разоружении буржуазии и ликвидации имущественных прав на фабрики и на землю. Анархисты вооружили рабочих Гуляйполя, при этом разоружив нескольких офицеров, выгнали чиновников. Те же представители буржуазии, которые остались, выплатили значительную контрибуцию. Власть в Гуляйполе перешла к Совету и Комитету защиты революции, то есть к Нестору Махно. Съезд советов Гуляйпольского района, который состоялся в сентябре в 1917 года, призвал игнорировать любые указания Временного правительства, Центрального совета и сосредоточил у себя в руках всю полноту власти в волости. На юге Российской республики было создано маленькое государство без власти с населением до 40 тыс. человек — Гуляйпольская коммуна.
В начале января 1918 года большевики Александровска (с 1921 г. — Запорожье) подняли восстание против Центрального совета, призвав на помощь анархистские отряды Махно и Марии Никифоровой (около 400 человек). Был создан ревком, куда кроме большевиков и левых эсеров вошли анархисты: М. Никифорова (товарищ председателя) и Н. Махно. В январе махновцы принимали участие в боях за Александровск, которые закончились установлением власти Советов. Однако через несколько дней Махно вышел из состава ревкома по соображениям несовместимости его анархистских взглядов с деятельностью ревкома.
19 февраля немецкие и австро-венгерские дивизии, по согласованию с Центральным советом, начали наступление в глубь Украины. Общее число наступавших войск составляло 450 тыс. человек. Так называемое советское правительство Украины не имело никаких шансов противостоять наступлению и в начале марта 1918 года переехало в Полтаву, затем — в Екатеринослав (ныне — Днепропетровск), а в июле окончательно перестало существовать, как и сама та власть, которую оно представляло. 3 апреля 1918 года Екатеринослав был оккупирован австро-немецкими войсками. Махно и гуляйпольские анархисты не признавали никаких соглашений с немецким империализмом.