Через Александра Александровича Бестужева и Кондратия Федоровича Рылеева Батеньков в ноябре 1825 года стал членом Северного общества декабристов и предполагался на роль председателя правительства. Выступал за ликвидацию крепостного права и конституционную монархию. В ночь на 29 декабря 1825 года он был арестован. На следствии Батеньков сначала запирался, но в марте 1826 года заявил о принадлежности к тайному обществу и согласии с его планами. В своих показаниях он утверждал, что выступление 14 декабря – «не мятеж, как к стыду моему именовал его несколько раз, но первый в России опыт революции политической, опыт почтённый в бытописаниях и в глазах других просвещённых народов». Батеньков был приговорён к вечной каторге, замененной 20 годами. Год находился в крепости Свартгольм, но вместо Сибири был возвращён обратно в Петропавловскую крепость. С 1827 по 1846 год Батеньков содержался в одиночной камере Алексеевского равелина Петропавловской крепости. Возможно, он был подвергнут одиночному заключению из-за своей близости к Сперанскому и Аракчееву. Первые годы узник совсем не выходил из камеры, позже мог прогуливаться в тюремном коридоре, но, кроме солдат, не видел никого, ни с кем не общался и почти разучился разговаривать. В еде имел выбор и предпочитал вегетарианскую пищу, употреблял и вино. Имел право требовать священника для исповеди и причастия. Вёл записи своих мыслей. Из заключения Батеньков обращался с крайне дерзкими и полуабсурдными письмами к Николаю I и в прочие инстанции. Во всеподданнейшем докладе графа Алексея Федоровича Орлова (1787–1862) от 22 января 1846 года об облегчении участи Батенькова говорилось: «Причины, по которым Батеньков не был отправлен в Сибирь и заключен в крепость, III отделению неизвестны. В 1828 г. Батеньков намерен был голодом и бессонницею лишить себя жизни и показывал признаки сумасшествия, а в 1835 году два раза представлял через коменданта запечатанные пакеты на высочайшее имя, в коих оказались записки его бессвязного и запутанного содержания, обнаруживающие в нем явное помешательство ума». Император Николай I оставил резолюцию: «Согласен, но он содержится только от того, что был доказан в лишении рассудка, надо его переосвидетельствовать и тогда представить, как далее с ним поступить можно». 31 января 1846 года последовало высочайшее повеление отправить Батенькова на жительство в Томск с учреждением за ним там строгого наблюдения и с применением к нему всех правил, изданных о государственных преступниках, находящихся на поселении в Сибири.
В 1846 году Батеньков был освобожден и сослан в Томск. Здесь он занимался научной работой и часто получал заказы на проектирование дач и особняков.
После всеобщей амнистии 1856 года выехал в европейскую часть России. Жил в имении Петрищево Белёвского уезда Тульской губернии у вдовы своего однополчанина А.А. Елагина Авдотьи Петровны Киреевской и в собственном доме в Калуге, имея разрешение на время приезжать в Москву. Писал стихи, из которых при жизни была напечатана только поэма «Одичалый». В последнее десятилетие Батеньков работал над большим философским трудом, задуманным еще в Томске («Общая философия системы мира»), но оставшимся незаконченным. Он представляет собой совокупность заметок, написанных в разные годы и призванных дать философско-теистическую интерпретацию достижений естествознания в понимании бытия, пространства и времени, движении, жизни, места человека в космосе, роли мышления в познании. По Батенькову, «материалистический принцип ничего изъяснить не может, а еще менее способен быть ключом, которым бы могли отпереть все тайны мироздания и привести науки к истине».
Гавриил Степанович Батеньков умер 29 октября (10 ноября) 1863 года в Калуге от воспаления легких и был похоронен в селе Петрищеве.
В Петербурге в 1816 году Батеньков состоял членом масонской ложи «Избранный Михаил». В пору расцвета в ней состояло 213 человек. В ложу «Избранного Михаила» входили поэты пушкинского круга А.А. Дельвиг и В.К. Кюхельбекер (последний также был декабристом), художник Ф.П. Толстой, писатель М.Н. Загоскин, будущие декабристы Ф.П. Шаховской, Н.А. Бестужев, Ф.Н. Глинка и др.
А в 1818 году он был членом ложи «Восточное светило» в Томске. «Восточное светило» объединяло 39 человек. Печать томской ложи была выполнена в виде горящего факела, помещенного в круг и треугольник, на котором кроме даты основания ложи значились слова «Восток» и «Свет». Томские «каменщики» собирали пожертвования, в частности, «на предмет воспитания неимущих луфтонов», то есть масонских детей. Для этого требовалось ежегодно вносить в Великую ложу 50 рублей, что и было исполнено в первый год существования ложи.