Оформившись в идейном отношении, кирилло-мефодиевцы намеревались перейти к практической деятельности, пропагандируя свои убеждения среди населения. При этом Н. Гулак, близкий к декабристскому радикализму П. Пестеля, не исключал применения насильственных методов борьбы, а Т. Шевченко даже мечтал о народном восстании. Но до практического воплощения этих намерений дело не дошло. Студент Петров, снимавший квартиру в одном доме с Н. Гулаком, подслушивал разговоры друзей. Он завел с ними знакомство и вскоре вошел в доверие к братчикам. 3 марта 1847 года Петров написал донос попечителю Киевского учебного округа генерал-майору Траскину. Он сообщал, что «слышал у Гулака собрание людей и рассуждения о предметах, касающихся до государства, проникнутые совершенно идеей свободы…». Бумага была немедленно переправлена в Петербург начальнику III отделения его императорского величества собственной канцелярии графу Орлову. 17 марта Орлов сообщил об обществе наследнику престола Александру Николаевичу с просьбой разрешить аресты в Киеве.
Киевский гражданский губернатор И. Фундуклей, меценат и большой любитель древностей, с большим уважением относился к Н. Костомарову. За несколько недель до этих событий он дал Николаю Ивановичу для отзыва и замечаний свою рукопись книги «Обозрение Киева в отношении к древностям» (она была напечатана в 1847 году). Узнав о готовящемся аресте, Фундуклей пытался своевременно предупредить Н. Костомарова об опасности. В отправленной с посыльным записке он просил Костомарова срочно зайти к нему. Но историк, поглощенный заботами предстоявшей через несколько дней свадьбы с Алиной Крагельской, не нашел времени заехать к губернатору. В ночь на 30 марта 1847 года Н. И. Костомаров был взят под стражу и отправлен в Петербург. Теперь уже И. Фундуклей ничем не мог помочь Николаю Ивановичу. Костомаров пребывал в ужасном состоянии. Отчаявшись, он решил заморить себя голодом в дороге. Обессиленный, он едва мог встать с повозки. Квартальный-провожатый, заметив состояние своего арестанта, посоветовал ему отказаться от рокового намерения. «Вы… смерти себе не причините, я вас успею довезти, но вы себе повредите: вас начнут допрашивать, а с вами от истощения сделается бред, и вы наговорите лишнего и на себя, и на других», — уговаривал Костомарова конвоир. Логика надзирателя подействовала на Костомарова. 7 апреля его привезли в Петербург, а 15-го состоялся первый допрос.
14 июня 1847 года находившемуся в Петропавловской крепости Костомарову было разрешено свидание с невестой Алиной Крагельской. Познакомились они в женском пансионе, где Костомаров преподавал. Воспитанницы прозвали своего учителя Чучелом Морским, что не мешало им восхищаться его знаниями и талантом рассказчика. Крагельская пленила Костомарова своей живостью, непосредственностью и истинной одаренностью. Ее игрой на фортепиано восхищался даже Ференц Лист, посетивший Киев с гастролями. Арест Костомарова круто изменил их жизнь. Николай Иванович боялся после осуждения связывать с Алиной свою, как он считал, пропащую жизнь. Масла в огонь подливала и мать невесты. В итоге их брак расстроился. Крагельская вышла замуж за другого человека и прожила с ним 19 лет. Однажды зимой 1862 года она купила издание драмы Н. И. Костомарова «Кремуций Корд» и прочла понятное только ей посвящение: «Незабвенной А. Л. К. на память. 14 июня 1847 г.»…
Одновременно с Костомаровым был арестован Н. Гулак, а вскоре Т. Шевченко, П. Кулиш, В. Белозерский, А. Маркович и другие кирилло-мефодиевцы. Для проведения следствия все они были отправлены в Петербург и осуждены, но, по меркам николаевского времени, в большинстве своем (кроме Т. Шевченко, который был сослан рядовым в Оренбург, а потом — в Новопетровское укрепление, со строжайшим запретом Николая I писать и рисовать) без излишней жестокости. Граф Орлов понимал, что никакой политической работы кирилло-мефодиевцы так и не начали, ограничивая свою деятельность периодическими встречами, составлением и обсуждением документов. Интересно, что во время следствия осужденным помогали сами же гонители из жандармского корпуса, подсказывая, как правильнее вести себя на допросах.
24 июня 1848 года, отбыв годичное заключение в Петропавловской крепости, Н. Костомаров был сослан в Саратов. Год тюрьмы не прошел для Николая Ивановича даром. За несколько месяцев заключения он выучил греческий и испанский языки, и теперь легко мог читать Гомера и Кальдерона в подлиннике.
В Саратове Костомарова определили на должность переводчика при губернском правлении с жалованьем 350 рублей в год. Поскольку переводить было нечего, губернатор поручил политическому ссыльному заведовать секретным отделом, в котором велись дела «раскольников».
