شهید محمدعلی رجایی با ارتباطی که با سازمان داشت تعدای از کتب دفاعیات کادر اولیه آن را در جلسات دادگاه به همراه تعداد دیگری از کتبهایی که ساواک درمورد آنها حساس بود به منزل یکی از خواهرانش انتقال داد تا از این رهگذر چون هر لحظه امکان دستگیری او میرفت سرنخی به دست ساواک نداده باشد. خواهرزاده او بدون کسب اجازه از شهید رجائی تعدادی از این کتابها را به دانشگاه می برد و بین دوستان خود توزیع میکرد که یکی از آنها با واسطه به دست ساواک رسید و منجر به دستگیری محسن صدیقی خواهر زاده شهید رجائی و سپس خود رجائی گردید. در مورخه ۶/۹/۱۳۵۳ نیروهای امنیتی از ساعتها قبل از آمدن او به منزل او ریختند و پس از بازرسی کامل که کمترین سند و مدرکی به دست نیاوردند، به انتظار بازگشت او به خانه ماندند.
شب هنگام که شهید رجائی از یکی از جلسات خصوصی شهید بهشتی به خانه می آمد با دیدن اوضاع غیر عادی در محل، چون خود را مهیای دستگیری و زندان نموده بود، به صورت خیلی عادی وارد خانه شد و پس از لحظاتی بازداشت و روانه زندان گردید.
وی در طول نزدیک به بیست ماه بازجویی و حبس در سلول انفرادی کمترین نشانه عجز و سازشی از خود نشان نداد. مدت زندانی شدن او در سلولهای انفرادی وی را در زمره یکی از نادرترین زندانیان سیاسی قرار داده است. شهید رجائی به رغم برخورداری از روابط گسترده مبارزاتی در زیر فشار شدید و طاقت فرسای شکنجه گران ساواک که از او میخواستند دوستان و همراهان مبارز سیاسی خود را به آنها معرفی کند، لب از لب نگشود و هر بار بیشتر از گذشته در معرض شکنجه قرار میگرفت.
بارها دیده میشد وی به دلیل ورم شدید کف پا که در اثر ضربات متوالی شلاق ایجاد شده بود، در بازگشت به سلول به صورت چهار دست و پا راه میرود.
ما در تمام دوران مبارزه از سال ۴۱ تا ۵۷ هیچ موردی را سراغ نداریم که یک نفر بیست و چند ماه در یک سلول بماند و مرتب زیر شکنجه باشد و به رژیم حرفی نزند. من پیش ایشان اسراری داشتم که اگر فاش میکرد بنده را هم اعدام می کردند.
شهید رجائی در زندان نمونه یک انسان مؤمن و معتقد بود.وی در زندان با نظم خاصی دوران حبس خود را سپری میکرد. انس او با قرآن چه در ایام سلول انفرادی و چه بعد از آن، برای سایر زندانیان مثالزدنی بود. حضرت آیت الله خامنهای که در آن ایام با فاصله یک سلول از شهید رجائی در کمیته مشترک ضد خرابکاری بازداشت شده بود گفتهاند: من سلول ۲۰ بودم و ایشان(شهید رجائی ) سلول۱۸ من با سلول ۱۹ به وسیله علامت تماس داشتم او میگفت در سلول ۱۸ کسی هست که میگوید با تو آشناست، فهمیدم آقای رجایی است. لذا هر وقت میخواستیم با هم مکالمهای داشته باشیم من به سلول کناری پیغام میدادم و او هم به آقای رجایی و آقای رجایی هم متقابلاً به همین صورت با من تماس میگرفت. مثلاً میگفت آقای رجایی دارد قرآن میخواند من میگفتم خوب می خواند؟ او هم میگفت آری با حال میخواند.
از شکنجه های ساواک در مورد این شهید آن بود که در فصل سرما وی را به صورت عریان در سلول نگه میداشتند و به او اجازه نمیدادند از لباس های معمولی زندان استفاده کند، تا جائی که هر کسی بر روی در سلول لباس آویزانی میدید می فهمید در این سلول شهید رجائی است .
هر چند وی پس از محاکمات متعدد اولیه به ۵ سال حبس محکوم گردید، اما با اعترافاتی که یکی از اعضای سازمان مجاهدین خلق(منیژه اشرف زاده کرمانی) بر علیه شهید رجائی در زندان کرد، ساواک دریافت که شهید رجائی به رغم آن همه شکنجه کمترین اطلاعی از روابط خود را بازگو نکرده است. لذا وی را مجدداً به شکنجه و بازجوییهای طاقتفرسا کشاندند.
اگر چه ساواک با به دست آوردن سرنخی به دنبال کشف کامل روابط گسترده مبارزاتی شهید رجائی برآمد و سختترین شکنجهها را در مورد او اعمال نمود اما جز به دریافت اطلاعاتی که شهید رجائی از منیژه کرمانی علیه خود شنیده بود چیزی به میان نیاورد که این امر در بازجوئی های مکتوب او بخوبی هویداست.
او در این بازجوئی ها با زیرکی خاصی رابطه خود با سازمان را در حد یک رابط ساده و عاطفی با کادر مرکزی آن قلمداد کرده و هیچ مسئولیتی را بر عهده نگرفته است. با آنکه وی میتوانست با توجه به انحرافی که در سازمان مجاهدین خلق روی داده و در زندان بیشترین شماتتها و طعنهها و آزارها را از اعضاء هواداران آن میشنید، در صدد ضربه زدن به آنها برآید و بهترین توجیه هم روی گردانی آنها از اسلام بود، اما هیچگاه به این کار تن در نداد و مانع هرگونه سوءاستفاده مأموران امنیتی شاه از اختلاف عقیدتی و سیاسی وی با سازمان مجاهدین خلق گردید.
وقتی در زندان خبر تغییر مواضع عقیدتی اعضای سازمان به مارکسیزم را با تلخی دریافت کرد، به همرزمان خود گفت انتظار و توقع چنین روزی را داشته است. از این رو با شناختی که از ماهیت انحرافی این حرکت داشت در زندان تمام تلاش خود را در جهت جذب هواداران ساده و ناآگاه این سازمان مینمود.
بر این اساس اعضای منحرف سازمان در زندان با وی چنان از در مخالف و ستیز برآمدند که علاوه بر اعمال و رفتار ناشایست، دست به تحریم مراسم نماز جماعت که برای اولین بار به همت شهید رجائی در زندان برگزار میشد، زدند و این در حالی بود که اعضاء و هواداران سازمان به راحتی در کلیه موارد زندان با مارکسیستها و عناصر چپ زندان ائتلاف و اتحاد کاملی داشتند. در یکی از ملاقاتها که شهید رجائی متوجه نگرانی بستگان و از جمله خواهر زادهاش در مورد زندانی و شکنجه شدن خود شده بود، با تبسم گفت:
«نگران نباشید اگر من در بیرون بودم سازمان همان رفتاری را که با مرتضی صمدیه لباف و مجید شریف واقفی کرد که آنها را به شهادت رسانید، مرا هم دچار همین سرنوشت میکرد.»
شهید محمدعلی رجایی در زندان محور تشکل عناصر مؤمن و معتقد به رهبری روحانیت و در رأس آنها حضرت امام خمینی بود. این عقیده ثابت و استقرار باعث گردید در زندان اوین از هر سو مورد تهاجم و بایکوت سایر نیروهای زندان قرار گیرد. منافقین و عناصر مارکسیست زندان تماس با وی را به کلی ممنوع ساخته و حتی در حد قدمزدن و غذا خوردن و صحبت کردن، هواداران خود را از ارتباط با او منع میکردند.
از سوی دیگر برخی عناصر مذهبی نیز در زندان با توجه به این که شهید محمدعلی رجایی ارتباط با سایر عناصر سیاسی مذهبی را مانند آنها به دلیل اتخاذ مواضع التقاطیشان حرام نمیدانست با وی همسفره و هم صحبت نمیشدند. شهید رجائی پس از پیروزی انقلاب از این دوران(زندان اوین) به تلخی تمام یاد کرده است.
از اقدامات مهم شهید رجائی در زندان جذب عناصر جوان و ساده هوادار سازمان مجاهدین خلق به گروه مبارزین سیاسی خط ولایت و رهبری روحانیت و حضرت امام که خود در محور آن قرار داشت، بود. وی با ایجاد کلاسهای یک یا چند نفره مطالعاتی، اطلاعات گسترده خود را که طی سالها حضور در مجالس مسجد هدایت و … به دست آورده بود با کمال سخاوت در اختیار زندانیان جوان قرار میداد.
شهید محمدعلی رجایی در زندان وقتی از مشکلات و تنگناهای مالی برخی خانوادههای زندانیان در بیرون از زندان آگاه می شد دراولین ملاقات با بهرهگیری از روابط گذشته خود در بیرون از زندان، توصیه هایی در جهت رفع سریع آن مشکلات مینمود.