آیت‌الله طالقانی در پنجم تیر ماه ۱۳۴۲ پس از سخنرانی‌های متعدد بر علیه رژیم شاه، همکاری با جبهۀ ملی و نهضت آزادی و مخالفت با انقلاب سفید دستگیر و زندانی شد.
او در کنار دیگر سران نهضت آزادی در دادگاهی نظامی محاکمه شد. این دادگاه یکی از طولانی‌ترین دادگاه‌های نظامی این دوران به شمار می‌رود. آیت‌الله طالقانی و مهدی بازرگان در این دادگاه، هر کدام به ده سال حبس محکوم شدند.
طالقانی در نخستین جلسۀ دیدارش با وکیل مدافع خود، سرهنگ غلامرضا نجاتی، گفت: «این‌ها به حساب خودشان می‌خواهند ما را در یک دادگاه نظامی به اصطلاح علنی، با تظاهر به رعایت اصول و ضوابط دادرسی، از قبیل حق انتخاب وکلای مدافع، حق دفاع، حضور نمایندگان مطبوعات و انتشار اخبار دادگاه و غیره، محاکمه کنند. این ظاهر قضیه است. اما قصد و نیت واقعی آنها این است که بی سر و صدا محکوممان کنند. در کیفرخواست دادستان ارتش، اتهام ما ضدیت با سلطنت مشروطه، اقدام علیه امنیت و استقلال کشور و اهانت به شاه است. دادگاه هم فرمایشی و نظامی است و وکلای مدافع هم باید نظامی باشند و از افراد مورد نظر دستگاه که در دو-سه جلسه، حرف‌هایی بزنند و دست آخر از دادگاه تقاضای عفو و بخشایش ما را از اعلیحضرت بکنند. این برنامۀ آنهاست. ما هم هدف و برنامه داریم و می‌خواهیم فریادمان را به گوش مردم ایران و جهانیان برسانیم و خیانت‌های شاه و رژیم او را فاش کنیم. بدین منظور به وکلایی نیاز داریم که خوش‌نام، شجاع، مبارز و وطن‌پرست باشند…دفاع از ما که تأثیری در سرنوشت ما نخواهد داشت؛ دفاع از آزادی و دفاع از حق علیه باطل است.»
در مدتی که طالقانی در بند بود، نامه‌ها و تلگراف‌های متعددی از روحانیون و مراجع تقلید در حمایت از وی و بازرگان و سحابی به او رسید.
آیت‌الله طالقانی در زندان شماره چهار قصر دست به فعالیت‌هایی از جمله برگزاری مراسم عزاداری و سخنرانی تاسوعا و عاشورا، خواندن خطبه‌های نماز جمعه و برگزاری نماز جماعت، برگزاری تریبون آزاد در شب‌های جمعه، جلسات تفسیر قرآن و نهج‌البلاغه را به جای می‌آورد و همچنین تدوین اولین جزء تفسیر پرتوی از قرآن را آغاز کرد.
سرانجام، رژیم شاه به سبب فشار محافل بین‌المللی طرفدار حقوق بشر مجبور شد آیت‌الله طالقانی و مهدی بازرگان را پس از تحمل پنج سال حبس، در تاریخ ۴ آبان ۱۳۴۶ آزاد کند.