5 listopada przyjechał razem z żoną Izabelą Iwanowną do Kijowa. Niedługo po tym 4 grudnia 1986 roku został aresztowany<ref name=":0" />. Według orzeczenia Sądu Najwyższego ZSRR został uznany winnym z artykułu 220 KK ZSRR za nieprawidłową eksploatacje urządzeń wysokiego ryzyka i skazany na karę 10 lat kolonii karnej. Początkowo został osadzony w więzieniu Łukianiwka w Kijowie a następnie został przeniesiony do kolonii karnej niedaleko miejscowości Kriukowo, w Obwodzie Połtawskim. Kiedy bliscy odwiedzali w więzieniu Diatłowa, ten był już tylko wrakiem człowieka: łysa głowa, sine plamy na całym ciele, chude ciało, na którym wisiało wytarte ubranie, na nogach ciężkie, więzienne buty.  1 października 1990 roku wskutek wielu apeli rożnych organizacji, przyjaciół a nawet osobistego wstawiennictwa Andrieja Sacharowa oraz jego żony Jeleny Bonner, ze względu na zły stan zdrowia został przedterminowo zwolniony z odbywania kary.