В 1846 Достоевский сближается с семьей Майковых, регулярно посещает литературно-философский кружок братьев Бекетовых, в котором главенствовал В. Майков, а постоянными участниками были А.Н. Майков и А.Н. Плещеев — друзья Достоевского. С марта—апреля 1847 Достоевский становится посетителем «пятниц» М.В.Буташевича-Петрашевского. Участвует он и в организации тайной типографии для печатания воззваний к крестьянам и солдатам.
Арест Достоевского произошел 23 апреля 1849; его архив при аресте был отобран и, вероятно, уничтожен в III отделении. 8 месяцев Достоевский провел в Алексеевском равелине Петропавловской крепости под следствием, во время , которого проявил мужество, скрывая многие факты и стремясь по возможности смягчить вину товарищей. Был признан следствием «одним из важнейших» среди петрашевцев, виновным в «умысле на ниспровержение существующих отечественных законов и государственного порядка».
Первоначальный приговор военно-судной комиссии гласил: «… отставного инженер-поручика Достоевского, за недонесение о распространении преступного о религии и правительстве письма литератора Белинского и злоумышленного сочинения поручика Григорьева, лишить чинов, всех прав состояния и подвергнуть смертной казни расстрелянием».
22 декабря 1849 Достоевский вместе с другими ожидал на Семёновском плацу исполнения смертного приговора. По резолюции Николая I казнь была заменена ему 4-летней каторгой с лишением «всех прав состояния» и последующей сдачей в солдаты.
Ночью 24 декабря Достоевский в оковах был отправлен из Петербурга. 10 января 1850 прибыл в Тобольск, где в квартире смотрителя произошла встреча писателя с женами декабристов — П.Е. Анненковой, А.Г. Муравьёвой и Н.Д. Фонвизиной; они подарили ему Евангелие, которое он хранил всю жизнь. С января 1850 по 1854 Достоевский вместе с Дуровым отбывал каторгу «чернорабочим» в Омской крепости.
В январе 1854 он был зачислен рядовым в 7-й линейный батальон (Семипалатинск) и смог возобновить переписку с братом Михаилом и А. Майковым. В ноябре 1855 Достоевский произведен в унтер-офицеры, а после долгих хлопот прокурора Врангеля и других сибирских и петербургских знакомых (в том числе Э.И. Тотлебена) — в прапорщики; весной 1857 писателю было возвращено потомственное дворянство и право печататься, но полицейский надзор над ним сохранялся до 1875.
В 1857 Достоевский женился на овдовевшей М.Д. Исаевой, которая, по его словам, была «женщина души самой возвышенной и восторженной … Идеалистка была в полном смысле слова … и чиста, и наивна притом была совсем как ребенок». Брак не был счастливым: Исаева дала согласие после долгих колебаний, измучивших Достоевского.
В Сибири писатель начал работу над воспоминаниями о каторге («сибирская» тетрадь, содержащая фольклорные, этнографические и дневниковые записи, послужила источником для «Записок из Мертвого дома» и многих других книг Достоевского). В 1857 его брат напечатал рассказ «Маленький герой», написанный Достоевским в Петропавловской крепости.
Создав две «провинциальные» комические повести — «Дядюшкин сон» и «Село Степанчиково и его обитатели«, Достоевский вступил через посредство брата Михаила в переговоры с М.Н. Катковым, Некрасовым, А.А. Краевским. Однако современная критика не оценила и обошла почти полным молчанием эти первые произведения «нового» Достоевского.
18 марта 1859 Достоевский по прошению был уволен «по болезни» в отставку в чине подпоручика и получил разрешение жить в Твери (с воспрещением въезда в Петербургскую и Московскую губернии). 2 июля 1859 с женой и пасынком уехал из Семипалатинска. С 1859 — в Твери, где возобновил прежние литературные знакомства и завязал новые. Позже шеф жандармов известил тверского губернатора о разрешении Достоевскому жить в Петербурге, куда он приехал в декабре 1859 г.