Потанин переезжает в Томск, где получает должность секретаря губернского статистического комитета при губернском совете по крестьянским и «инородческим» делам, что дает ему возможность свободно ездить и собирать материалы о населении и природе Сибири.

Но 25 мая Потанин был арестован. Во время ареста квартиру Потанина обыскали, в числе прочего, изъяли письма Бакунина и Чернышевского. Потанин переведен в Омскую тюрьму, куда привезли несколько десятков человек, арестованных в Красноярске, Тобольске, Ярославле, Петербурге, Томске и Омске. Начались допросы, очные ставки, откровенные признания и др.

Помимо тайного доноса, была и внешняя причина массовых арестов. У кадета Сибирского кадетского корпуса Гавриила Усова изъяли прокламацию «Патриотам Сибири», которую он нашел в столе своего старшего брата Николая. Плотно исписанный листок бумаги содержал требования самостоятельности Сибири и создания в сибирских границах Республики по типу северо-американских Штатов. Достичь цели предполагалось восстанием и войной за независимость. Текст завершал лозунг: «Да здравствует свободный наш народ! Да здравствует независимость Сибири! Да здравствует наше славное будущее!».

Позже на допросе Николай Усов сообщил, что прокламацию получил от Ядринцева, и назвал всех, кто о ней знал.

На допросах 7–8 июля 1865 года Потанин отвечал, что свою общественную и публицистическую деятельность он направлял на воспитание «в сибирском юношестве местного патриотизма посредством идеи о будущей судьбе Сибири, как независимой республики и разработке этой же идеи в литературе и науке». Вот как Потанин характеризует себя во время следствия: «Если желание лучшего Отечеству – вольнодумство, то в этом смысле, может быть, я – вольнодумец. В этом же смысле может быть назван каждый человек, который в глубине сердца своего чувствует себя вправе быть гражданином… Все, что хотел я, чтобы не был заглушен ничей голос, и чтобы выслушана была, по возможности, всякая нужда».

По ходу следствия Потанин оговорил себя, приписав себе создание тайного общества, которого не было, и в которое он, якобы, вовлек остальных арестованных: «Я распространял сепаратистские идеи и убеждал своих товарищей разделить мои мысли, все причастные к этой идее, были увлечены мною». Мотив – уберечь товарищей, объяснит впоследствии Потанин в своих воспоминаниях перед историей.

27 ноября 1865 года по результатам следствия была подготовлена «Краткая записка к следственному делу, произведенному в 1865 г. Комиссией, учрежденной в г. Омске по политическим преступлениям». Потанин и еще несколько человек, включая Ядринцева, обвинялись в «злонамеренных действиях… направленных к ниспровержению существующего в Сибири порядка управления и к отделению ее от Империи».

В тюрьме Потанин узнает о смерти Чокана Валиханова. Потанин потерял друга, который неоднократно вдохновлял его в саморазвитии, и в кадетском училище, и в отставке после увольнения со службы, и в поступлении в университет, и помог ему стать путешественником. После смерти Валиханова Потанину приснится сон, будто Чокан приехал к нему в гости, они сидят за полночь, пьют чай, и разговаривают.

К концу года в «Этнографическом сборнике» (вып. IY, СПб) Российского географического общества (ИРГО) вышла первая научная работа Потанина, о географическом распределении сибирских народностей, – «Юго-западная часть Томской губернии в этнографическом отношении», которую он написал, работая делопроизводителем в губернском совете, то есть еще до ареста.