В ночь с 17 на 18 сентября 1938 года Быстролетов был арестован. Ордер на арест № 3957 подписал первый заместитель наркома внутренних дел СССР Лаврентий Берия. Позже стало известно, что причиной его ареста стал рапорт, направленный руководству НКВД руководителями Управления НКВД Московской области Станиславом Францевичем Реденсом и Иваном Григорьевичем Сорокиным:
«Совершенно секретно.
Заместителю народного комиссара внутренних дел СССР Фриновскому.
— 3-м отделом УГБ УНКВД МО вскрыта и ликвидируется шпионско-террористическая организация, созданная чешскими разведывательными органами из эмигрантской молодежи, объединившейся в «Союз студентов — граждан РСФСР» в городах Прага и Брно.
По показаниям арестованных установлено, что «Союз студентов — граждан РСФСР» был создан чешскими разведывательными органами и РОВС (Русский общевоинский союз) для легальной переброски в СССР шпионов, диверсантов и террористов. Одним из инициаторов создания этого «союза» является Быстролетов Дмитрий Александрович, который по показаниям арестованных, является агентом чешских разведывательных органов.
Быстролетов прибыл в СССР в 1936 году и до последнего времени ведет разведывательную работу, являясь резидентом чешской разведки.
Сообщая об изложенном, просим вашей санкции на арест Быстролетова, как одного из активных участников вскрытой шпионско-диверсионной и террористической организации. Начальник УНКВД Московской области комиссар государственной безопасности первого ранга Реденс.
Начальник 3 отдела УГБ УНКВД Московской области капитан государственной безопасности Сорокин. 7 декабря 1937 года».
Интересно отмстить, что именно в день подписания рапорта И Г. Сорокин был назначен начальником УНКВД Уссурийской области.
Незавидной оказалась судьба самих подписантов. Иван Сорокин был арестован 16 сентября 1938 года, а 13 августа 1939 расстрелян. Станислава Реденса арестовали 22 ноября 1938 года и 21 января 1940 года расстреляли.
Дмитрия Быстролетова обвинили в шпионаже и в связях с расстрелянными к тому времени «врагами народа» Николаем Самсоновым и Теодором Малли. В процессе следствия никаких доказательств «контрреволюционной» деятельности Быстролетова получено не было. Да это и не интересовало его палачей. Костоломы Ежова и Берии выбили из него признательные показания, и Дмитрий Александрович оговорил себя. На судебном процессе он заявил о том, что эти показания были получены следствием в результате применения пыток, однако суд не принял это заявление в расчет.
Дмитрий Быстролетов был осужден на 20 лет исправительно-трудовых лагерей. Заключите отбывал в Норильлагс, Краслаге и Сиблаге. В лагере он узнал, что его мать не вынесла ареста и осуждения единственного сына и отравилась. С не меньшей душевной болью разведчик узнал и о кончило своей жены, чешской красавицы Иоланты, умершей от туберкулеза.
В 1947 году, после десяти лет заключения, Быстролетова доставили из Сиблага в Москву, в МГБ СССР на Лубянке. Тогдашний министр госбезопасности Виктор Абакумов предложил Быстролетову подать прошение о помиловании в обмен на немедленное освобождение и продолжение работы в разведке. Заключенный отказался от амнистии, потребовав повторного суда и полной реабилитации. За отказ просить помилование Быстролетов по произволу следователей был брошен на три года в одиночную камеру спецобъекта МГБ «Сухановка». За три года нахождения в нечеловеческих условиях он пережил два кровоизлияние в оба глаза, сильно ослабивших его зрение, заболел психическим расстройством. После лечения в тюремном госпитале Быстролетов был направлен на каторжные работы в Озерлаг и Камышлаг.
Но на этом испытания разведчика не кончились. После возвращения в лагерь в 1952 году его поместили в один барак с 28 немецкими нацистами, отбывавшими срок заключения за свои преступления на советской земле. По словам Быстролетова, это было «заключение в заключении», когда он оставался один на один с нацистскими преступниками, против которых боролся в предвоенное время. В 1954 году Дмитрий Александрович был освобожден из заключения. Из лагерей он вышел инвалидом. В 1956 году Военная коллегия Верховного Суда СССР после повторного рассмотрения его дела вынесла решение: «Приговор от 8 мая 1939 года но вновь открывшимся обстоятельствам отменить и дело прекратить за отсутствием состава преступления».
После реабилитации Д.А. Быстролетов работал во Всесоюзном НИИ медицинской и медико-технической информации Министерства здравоохранения СССР в качестве научного консультанта. Имея много специальностей — юрист, врач, художник (его картины экспонировались в клубе имени Дзержинского КГБ СССР), Дмитрий Александрович сыграл выдающуюся роль не только в нелегальной разведке, но и в деле расширения знаний о достижениях зарубежной медицины.