张琦翔回忆，抗战胜利后，华北逮捕汉奸，用的是请客的方式。戴笠让汪时璟出面在汪家宴请汉奸们，吃过饭，当场宣布拘留他们。周作人、钱稻荪与汪素无往来，故没有敷衍。二人是在当夜，军警以查户口为名，从家中带走的。当军警用枪械指着周要逮捕他时，周说：“我是读书人，用不着这样子。”
周作人被捕后，先被关押在北平炮局胡同的陆军监狱。周晚年回忆道：“在北京的炮局是归中统的特务管理的，诸事要严格一点，各人编一个号码，晚上要分房按号点呼，年过六十的云予优待，聚居东西大监，特许用火炉取暖，但煤须自己购备，吃饭六人一桌，本来有菜两钵，亦特予倍给。”狱中规定家人每月可会间一次，送钱一次；据说，送钱最多的高达二十万元，周作人最少，每次仅五千元。
徐淦记载：“风闻在蒋（介石）的寿辰上，有三位国民党的要员趁庆贺之机，联名上书，求蒋给予周作人特赦，但蒋说：‘别人可赦，周作人不可赦，因为他亲共。’据传那三位要员当中为首的是张群，话是从张群的机要秘书口中传出的。”
1946年春，北平一些文化教育界知名人士，联名上书国民政府，为周作人说情。他们请郑天挺在请求书上签字，遭到郑的拒绝，郑说：“在周任敌伪北大文学院长时，也确实为学校图书馆弄来不少善本珍籍。但我觉得，一个教授应当有起码的民族气节。周曾任伪教育总署督办，这是不能原谅的。”
在炮局胡同关押半年后，周作人等十四人被押解往南京受审。《申报》发表标题为《巨奸王荫泰等十四人，昨由平解京审理，古城观者如堵，呼骂声不绝》的文章，说：“群奸今晨五时被检查血压时，方知解京受审，乃慌忙写下‘遗书’，招致家人，语多劝家人勿忧，而有恋恋不舍之意。……周作人光头衣着最为陈旧……上车前记者逐一问感想……周作人说：‘我始终等待被捕，无感想。’周瘦得多了，态度仍很‘冷淡’……上机前逐一衡量体重……书生周作人最轻，52公斤。每人许携物15公斤，大多为衣被书籍及针线，周携其自著之《谈龙集》……”
据说，周作人在上飞机前曾抄旧诗一首示人：“年年乞巧徒成拙，乌鹊填桥事大难。犹是世尊悲悯意，不如市井闹盂兰。”其在押解途中写有诗二首：“羼提未足檀施薄，日暮途穷究可哀。誓愿不随形寿尽，但凭一苇渡江来。”“东望浙江白日斜，故园虽好已无家。贪痴灭尽余嗔在，卖却黄牛入若耶。”
周作人在“自白书”中为自己辩护道：“初拟卖文为主，嗣因环境恶劣，于1938年1月1日在家遇刺，幸未致命，从此大受威胁……以汤尔和再三怂恿，始出任伪北京大学教授兼该伪校文学院院长，以为学校可伪学生不伪，政府虽伪，教育不可使伪，参加伪组织之动机完全在于维持教育，抵抗奴化……”
1946年7月19日，南京高等法院对周作人案进行了第一次公开审理，《申报》报道了此次审理过程：“周逆作人十九日晨十时，在首都高院受审，历时二旬钟，以证据尚待调查，庭谕定八月九日再审。周逆昔日小有文名，今日旁听席上，特多男女青年。审讯前段，被告答复从逆前之经历，颇以二十年北大文科教授之任自傲。述其附逆动机；狡称：旨在‘维持教育，抵抗奴化’。庭长当斥以身为人师，岂可失节。周逆答辩谓：‘头二等的教育家都走了，像我这样三四等的人，不出来勉为其难，不致让五六等的坏人，愈弄愈糟。’并称，二十六年秋，留平不去，系因年迈，奉北大校长蒋梦麟之嘱为‘留平四教授’之一，照料北大者，惟对其二十八年之任华北政务委员会常委兼教育总署督办，以及东亚文化协议会会长，华北综合研究所副理事长，伪新民会委员，伪华北新报社理事等职，则期期艾艾，对答之间颇感尴尬，但仍东拉西扯，以二十八年元旦之被刺，‘中国中心思想问题’论战，以及胜利后朱校长家骅之华北观感等，作为渠有利抗战之证据，庭上当谕以证据颇确凿有力，当谕以为便收集，特宽限三星期再行公审，周逆乃于汗流浃背下狼狈还押。”
关于周作人所说受北大之托管理校产，法庭就此事询问了当年的北大校长蒋梦麟，蒋复信称确有其事。法庭还曾询问时任北大校长的胡适，胡复函称周在伪北大文学院长任内，保管图书很为周到，未受损失，并且有增无减。
宣判前，记者黄裳到南京老虎桥狱中访问周作人，其报道《老虎桥边看‘知堂’》写道：“一会儿，我在窗外看见一位狱吏带了一个老头儿来了。这是我第一次看见周作人，不过在印象中，是早已有了一个影了的，现在看看‘正身’，大抵差不多。他穿了府绸短衫裤，浅蓝袜子，青布鞋，光头，瘦削，右边庞上有老年人常有的瘢痕，寸许的短髭灰白间杂，金丝眼镜（这是他在一篇文章中提到过的‘唯一’的一副金器，三十年前的老样子）。”
周作人因卖国罪被判死刑，胡适等人使尽浑身解数，将他从枪口下夺回，他被判有期徒刑十四年，后改为十年，一直在南京老虎桥监狱服刑。在狱中三年多，他除了每日读书外，写了二百多首诗作，还翻译了英国劳斯所著的《希腊的神与英雄》。
周作人曾记录他在狱中的一些趣事：他所住的忠舍的一些富翁用钱贿络监狱看守人员，从外面带进来很多诸如烟酒之类的违禁物品，生活得十分惬意。其中有个老头，据说是曾经斗垮“红顶商人”胡雪岩的巨商盛宣怀的侄子，因贩鸦片积聚了些钱财，他将全舍上下从狱卒到所长通通打点了一遍，所以忠舍里的人都叫他“老太爷”。周作人经常找一个杀人犯帮他理发，此人因斗殴误杀一人被判死刑，后改有期。“把头颅托付于他，没有觉得什么不放心的，叫一个杀人犯来剃头，当初一听却是骇人听闻的了”。
1949年元旦，周作人经友人保释出狱，离开时，周作人作诗云：“一千一百五十日，且作浮屠学闭关，今日出门桥上望，菰蒲零落满溪间。”
出狱后，周作人到了上海，徐淦和陶亢德两人去探望他，周作人“颇像坐关和尚”，更显老态和憔悴，问起狱中的生活，他说：“还好。狱官特许我翻译英国劳斯写的那部希腊神话和作作打油诗解闷。至于饭呢，不像在北京时吃窝窝头，但南京的米真差，米商还在米中掺砂子。不过牢房内有钱的犯人照样买通牢头，三天两头从外面的馆子里叫进鸡鸭鱼肉来吃。我和没钱的同窗有时也沾点光。”徐淦常去看他，见他有时独坐亭子间中，用32张骨牌玩大无关、摆天字的游戏。