15 сентября 1943 года присвоено звание старшего лейтенанта.
С весны 1944 года командир батареи звуковой разведки 68-й Севско-Речицкой пушечной артиллерийской бригады 48-й армии 2-го Белорусского фронта. С 7 мая 1944 года – капитан.
Приказом по 68-й ПАБР № 19 от 8 июля 1944 года был награждён орденом Красной Звезды за звуковое обнаружение двух неприятельских батарей и корректировку огня по ним, что привело к подавлению их огня.
На фронте, несмотря на строжайший запрет, вёл дневник. Много писал, отправлял свои произведения московским литераторам для рецензии.
На фронте Солженицын продолжал интересоваться общественной жизнью, но стал критически относиться к Сталину (за «искажение ленинизма»); в письмах старому другу Николаю Виткевичу ругательно высказывался о «Пахане», под которым угадывался Сталин, хранил в личных вещах составленную вместе с Виткевичем «резолюцию», в которой сравнивал сталинские порядки с крепостным правом и говорил о создании после войны «организации» для восстановления так называемых «ленинских» норм.
Письма вызвали подозрение военной цензуры. 2 февраля 1945 года последовало телеграфное распоряжение № 4146 заместителя начальника Главного управления контрразведки «Смерш» НКО СССР генерал-лейтенанта Бабича о немедленном аресте Солженицына и доставке его в Москву. 3 февраля армейской контрразведкой начато следственное дело 2/2 № 3694–45. 9 февраля Солженицын в помещении штаба подразделения был арестован, лишён воинского звания капитана, а затем отправлен в Москву, в Лубянскую тюрьму. Допросы продолжались с 20 февраля по 25 мая 1945 года (следователь – помощник начальника 3-го отделения XI отдела 2-го управления НКГБ СССР капитан госбезопасности Езепов). 6 июня начальником 3-го отделения XI отдела 2-го управления полковником Иткиным, его заместителем подполковником Рублёвым и следователем Езеповым составлено обвинительное заключение, которое было 8 июня утверждено комиссаром госбезопасности 3-го ранга Федотовым. 7 июля Солженицын заочно приговорён Особым совещанием к 8 годам исправительно-трудовых лагерей и вечной ссылке по окончании срока заключения (по статье 58, пункт 10, часть 2, и пункт 11 Уголовного кодекса РСФСР).
В августе был направлен в лагерь Новый Иерусалим, 9 сентября 1945 года переведён в лагерь в Москве, заключённые которого занимались строительством жилых домов на Калужской заставе.
В июне 1946 года переведён в систему спецтюрем 4-го спецотдела МВД, в сентябре направлен в закрытое конструкторское бюро («шарашку») при авиамоторном заводе в Рыбинске, через пять месяцев, в феврале 1947 года, – на «шарашку» в Загорск, 9 июля 1947 года – в аналогичное заведение в Марфине (на северной окраине Москвы). Там он работал по специальности – математиком.
В Марфине Солженицын начал работу над автобиографической поэмой «Дороженька» и повестью «Люби революцию», которая задумывалась как прозаическое продолжение «Дороженьки». Позднее последние дни на Марфинской шарашке описаны Солженицыным в романе «В круге первом», где сам он выведен под именем Глеба Нержина, а его сокамерники Дмитрий Панин и Лев Копелев – Дмитрия Сологдина и Льва Рубина.
В декабре 1948 года жена заочно развелась с Солженицыным.
19 мая 1950 года Солженицын из-за размолвки с начальством «шарашки» был этапирован в Бутырскую тюрьму, откуда в августе был направлен в Степлаг – в особый лагерь в Экибастузе. Почти треть своего срока заключения – с августа 1950 по февраль 1953 года – Александр Исаевич отбыл на севере Казахстана. В лагере был на общих работах, некоторое время – бригадиром, участвовал в забастовке. Позднее лагерная жизнь получит литературное воплощение в рассказе «Один день Ивана Денисовича», а забастовка заключённых – в киносценарии «Знают истину танки».
Зимой 1952 года у Солженицына обнаружили семиному, он был прооперирован в лагере.
Освобождён 13 февраля 1953 года.
В заключении Солженицын полностью разочаровался в марксизме, со временем склонился к православно-патриотическим идеям. Уже в «шарашке» снова стал писать, в Экибастузе сочинял стихотворения, поэмы («Дороженька», «Прусские ночи») и пьесы в стихах («Пленники», «Пир победителей») и заучивал их наизусть.
После освобождения Солженицын был отправлен в ссылку на поселение «навечно» (село Берлик Коктерекского района Джамбульской области, Южный Казахстан). Работал учителем математики и физики в 8–10-м классах местной средней школы имени Кирова.
К концу 1953 года здоровье резко ухудшилось, обследование выявило раковую опухоль, в январе 1954 года он был направлен в Ташкент на лечение, в марте выписан со значительным улучшением. Болезнь, лечение, исцеление и больничные впечатления легли в основу повести «Раковый корпус», которая была задумана весной 1955.