Na wolność wyszedł w lutym 1965.
Zaraz po wyjściu na wolność, w grudniu 1965 zorganizował demonstrację w obronie dysydentów Andrieja Siniawskiego i Julija Daniela, za co ponownie zamknięto go w ośrodku psychiatrycznym, jednak niemal od razu po odsiedzeniu wyroku zorganizował kolejny protest w obronie dysydenta – tym razem Aleksandra Ginzburga – za co został skazany na trzy lata Gułagu, a jego wystąpienie w sądzie zostało rozpowszechnione przez samizdatową „Kronikę wypadków bieżących”. Po procesie, który wzbudził liczne protesty na Zachodzie i zaangażował najwyższe sfery rządzące w ZSRR, w 1971 został uznany za winnego działalności antyradzieckiej i skazany na 7 lat więzienia oraz 5 lat zsyłki. Łącznie przebywał w uwięzieniu przez 12 lat.
Los Bukowskiego i innych więźniów politycznych w Związku Radzieckim był wielokrotnie podnoszony przez zachodnich dyplomatów i organizacje praw człowieka, takie jak Amnesty International. W grudniu 1976 został deportowany z ZSRR. Na lotnisku w Zurychu rząd radziecki wymienił go na więzionego sekretarza generalnego Komunistycznej Partii Chile Luisa Corvalána. Jak mówiła o tym krążąca po Moskwie czastuszka: „pomieniali chuligana na Luisa Corvalana, gdie najdiom my taku blad’, cztoby Lońku (tj. Breżniewa) pomieniat'”.