В 1872 году швейцарское правительство по требованию России выдало Нечаева как уголовного преступника. По обвинению в убийстве Иванова, Нечаев был приговорен к 20 годам каторжных работ. Однако Сибири он так и не увидел — ему был уготован застенок в Алексеевском равелине Петропавловской крепости. Это было страшное место — кто сидел там, было предметом тайны не только для чинов комендантского управления, но и для тех, кто служил в самом равелине. Для заключения в эту тюрьму и для освобождения из нее требовалось повеление государя. Вход сюда был позволен коменданту крепости, шефу жандармов и управляющему III Отделением. Попав в равелин, заключенный терял имя и мог называться только по номеру. Когда узник умирал, тело его ночью тайно переносили из этой тюрьмы в другое помещение крепости, чтобы не подумали, будто в Алексеевском равелине есть заключенные, а утром являлась полиция и забирала тело, имя же и фамилию умершему давали по наитию, какие придутся.

Но Нечаев не спешил унывать — ему удалось распропагандировать охрану и через нее вступить в сношения с партией "Народная воля", которой он предложил план освобождения всех заключенных из крепости, в том числе и из Алексеевского равелина, а также целый ряд не менее фантастических проектов. Осуществлению их помешали события 1 марта 1881 года.

Вскоре после убийства первомартовцами Александра II связь Нечаева с народовольцами была обнаружена и охрана заменена. Прежняя, пав жертвой харизматической личности петропавловского узника, отправилась по этапу в Сибирь. Через год после этого Нечаев умер, по одним сведениям — от водянки, по другим — покончив с собой.

Сергей Нечаев, как своеобразный тип борца за свободу, симбиоз радикала и уголовника, был увековечен Достоевским в «Бесах» в образе Петра Верховенского. (Что говорить, Нечаев просился на бумагу, так как саму судьбу свою выстроил, словно авантюрный роман.) В те времена, когда в политическую деятельность как правило шли люди честные, достойные, подчас истинно благородные, подобный тип революционера был еще редкостью.