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.
Дмитрий Быстролетов оставил потомкам богатое литературное наследие: он написал шестнадцать книг и литературный сценарий многосерийного художественного фильма. В 1973 году по сценарию Быстролетова был снят художественный фильм «Человек в штатском», рассказывающий о работе разведки. В 1974 году журнал «Наш современник» напечатал его повесть «Рага bellum» (с латинского — готов к бою). Позже была опубликована литературная трилогия «Пир бессмертных», в которой Быстролетов рассказал о своей жизни и работе.
