Шевченко арестовали, когда он возвращался в Киев из своей поездки в Черниговскую губернию и едва взошел на паром, который ходил под Киевом по Днепру во время наводнения от одного берега к другому, как вдруг его задержал полицейский чиновник. Тарас Григорьевич позднее в тюрьме в шутку говорил, «что с детства, сам не зная почему, не любил он раскосых и не терпел встречи с ними, и вот, вроде как в оправдание такого предчувствия, полицейский чиновник, который арестовал его, был косоглазый». Не известно, оставался Шевченко некоторое время в Киеве или сразу с парома его повезли в Петербург. Но те, кто видел его по дороге от Киева в Петербург, куда он следовал под присмотром полицейского чиновника, говорили, что он был очень веселый, все время шутил, смеялся, пел песни. И вообще, вел себя так, что на одной станции смотритель, записывая подорожную, в которой значился чиновник с арестованным лицом, заметил, что трудно с виду различить, кто из попутчиков арестован, а кто везет арестованного.
На протяжении всего следствия Тарас Григорьевич был неизменно бодр, казался спокойным и даже веселым. Перед допросом некий жандармский офицер сказал ему: «Бог милостив, Тарас Григорьевич: вас оправдают, и вот тогда-то запоет ваша муза». Шевченко ответил по-малороссийски: «Не какой-то черт нас всех сюда занес, а эта чертова муза». После допроса, возвращаясь в свою камеру и идя рядом со мной, Тарас Григорьевич сказал мне: «Не горюй, Николай, еще когда-нибудь будем жить вместе». Эти последние слова, слышанные тогда от Шевченко, оказались позже в отношении нас обоих пророческими. Через несколько дней, а именно 30 мая, посмотрев в окно своей камеры, Николай Иванович увидел, как вывели Шевченко и посадили в экипаж, его отправляли в распоряжение военного ведомства. Увидев его, он улыбнулся, снял фуражку и приветливо кланялся. Тарас Григорьевич был сослан в оренбургские линейные батальоны рядовым с запретом писать и рисовать. Он главным образом пострадал за свои стихи, которые ходили в списках по рукам и стали известны правительству. Он выслушал приговор над собой с непоколебимым спокойствием, заявив, что считает себя достойным наказания и осознает справедливость Высочайшей воли.
Утром 30 мая 1847 года к Костомарову пришел вахмистр и доставил его к генералу Дубельту. В канцелярии Дубельт встретил Николая следующими словами: «Я должен объявить вам не совсем приятное для вас решение Государя императора; но надеюсь, что вы постараетесь загладить прошлое вашею будущею службою». Затем он развернул папку и зачитал приговор Николаю Ивановичу, в котором было сказано, что «адъюнкт-профессор Костомаров имел намерение вместе с другими лицами составить украино-славянское общество, члены которого обсуждали вопрос об соединении славян в одно государство, и сверх того была написана рукопись „Закон Божий“, а потому лишить его занимаемой им кафедры, заключить в крепость на один год, а по прошествии этого времени послать на службу в одну из отдаленных губерний, но никак не по ученой части, с учреждением над ним особого строжайшего надзора». Сбоку карандашом рукою императора Николая было надписано: «В Вятскую губернию».
Костомарова увезли в петропавловскую крепость. Писать чернилами Костомарову не разрешали, но позволяли писать карандашом. На его содержание в заключении отпускалось по его чину двадцать копеек в день; ему давали один раз щи, другой раз суп, иногда к этому прибавлялась каша с маслом, а по праздникам пирог. По пятницам ему разрешались свидания с матерью.
До февраля 1848 года Николай был здоров и изучал греческий язык: ему хотелось восполнить этот недостаток в своем образовании. Через несколько месяцев он уже свободно читал Гомера, хотя иногда и заглядывал в подстрочный латинский перевод. В то же время в виде отдыха от занятий греческим языком он осваивал испанский язык и при сравнительной его легкости успел прочитать всего «Дон Кихота».
В феврале 1848 года Костомарова одолела невыносимая головная боль и нервные припадки. Доктор, призванный к нему, сказал, что после освобождения Костомарову будет полезно гидропатическое лечение холодной водой, но Николай стал лечиться водой в крепости. Каждый день его выпускали в сад на полчаса, а потом и на больший срок. В марте здоровье Николая стало поправляться. Этому способствовало еще и то, что по совету доктора он перестал заниматься греческим языком – занятием, чересчур тяжелым для заключенного, – и стал читать французские романы. Николай Иванович прочел тогда все сочинения Жорж Санд.
Вскоре Костомарова отправили к месту ссылки. «Однажды позвали меня в канцелярию и сказали, что император изволил приказать графу Орлову спросить меня, не хочу ли я куда-нибудь потеплее вместо Вятки и не нужно ли мне денег. Я поблагодарил и сказал, что если такова милость государя, то я бы просил отправить меня в Крым, так как по совету врача для моего здоровья было бы полезно морское купанье. Эта просьба передана была графу Орлову, потом мне объявили, что граф сказал: „Там поэзии много, пусть лучше едет по выбору в какой-нибудь из четырех городов Юго-Восточной России: Астрахань, Саратов, Оренбург или Пензу“. Подумавши, я избрал Саратов. Мне дали триста рублей вспоможения. При заключении меня в крепость матери моей выдали сумму, составляющую мое годовое жалованье по должности адъюнкт-профессора. В день, назначенный к отъезду, генерал Дубельт призвал меня в свой кабинет и показал приписку обо мне к саратовскому губернатору, в которой после официального содержания было добавлено рукою графа Орлова: „Прошу вас быть к нему милостиву, он человек добрый, но заблуждался, но теперь искренно раскаялся“».
Вечером 24 июня 1848 года Костомаров прибыл в Саратов, о пребывании в котором вспоминал следующим образом: «Я остался один в совершенно чужом городе, в чужом крае, где у меня не было ни близких, ни знакомых. Несколько дней я прожил в гостинице и в это время за стеною моего номера услышал однажды шум, суету и стоны; потом мне объяснили, что в соседстве со мною заболел холерою и, проболевши два часа, скончался приезжий из Петербурга флигель-адъютант Столыпин. Этот случай очень поразил меня. Когда я выходил гулять и заходил в церковь, то глаза мои неприятно поражались видом приносимых гробов. На мои вопросы мне сообщали, что в городе свирепствует сильная холера, но не такая, какая была здесь прошлый год: умирает человек до ста в день, тогда как прошлый год число умиравших доходило до нескольких сот в день. Зато в настоящий год заболевших смерть постигает скорее, чем прошлый год. Я не очень боялся холеры, покупал себе ягоды и ел их со сливками, что считалось тогда опасным. Через несколько дней я начал искать себе квартиру и нашел».
По прибытии в Саратов в канцелярии губернатора он был извещен о предоставленной свободе, однако с запрещением служить «по ученой части». В свое время это послужит причиной недопущения Н. И. Костомарова к преподаванию в Казанском университете, о чем имеются следующие свидетельства. В письме от 26 июля 1858 года Н. И. Костомаров обращался к управляющему Казанским учебным округом по поводу скорейшего разрешения вопроса: «быть или не быть в Казанском университете», так как еще 6 декабря 1857 года он подал прошение в университет о допущении его к преподаванию «русских древностей» и представил составленную программу такого преподавания. 5 апреля 1858 года состоялось баллотирование в Совете и Н. И. Костомаров получил 15 избирательных голосов при двух неизбирательных, но дальнейший ход дела был приостановлен Министерством народного просвещения.
Позже Костомаров был определен на должность переводчика при губернском управлении с жалованьем 350 рублей в год. Губернатор поручил ему в своей канцелярии заведование сначала уголовным столом, а потом секретным; в последнем рассматривались дела преимущественно раскольников, что для него было довольно любопытно.
Мало-помалу Костомаров свел знакомства с жителями города, среди которых нашел он несколько образованных семей, где были люди с университетским образованием. На следующий год Николай познакомился и сошелся с кружком сосланных поляков. Между тем Костомаров продолжал свою работу над монографией о Богдане Хмельницком и написал письмо графу Свидзинскому, зная, что тот имеет богатую библиотеку, попросив его прислать ему материалы для окончания труда. Граф принял просьбу Костомарова любезно: присылал одну за другой из своей библиотеки латинские и польские книги, что служили источниками для описания эпохи Хмельницкого.