Jau no pirmajām nacistu valdīšanas dienām publiski uzstājās pret nacismu un Ādolfu Hitleru. Cīnījās pret nacistu ietekmes pieaugumu baznīcā. 1933. gadā devās uz Londonu, kur kalpoja vācu draudzēs. 1935. gadā atgriezās Vācijā un piedalījās nelegālā garīgā semināra darbā Finkenvaldē (mūsdienās Ščecinas daļa). 1937. gadā Gestapo semināru slēdza un arestēja 27 mācītājus. Pēc tam divus gadus Bonhēfers puslegāli ceļoja no vienas nelielas Austrumvācijas draudzes uz otru.
1940. gadā varas iestādes aizliedza Bonhēferam publiski uzstāties, bet 1941. gadā aizliedza publicēties. Bonhēfers kļuva par Abvēra (kurā darbojās daudzi Pretošanās kustības dalībnieki) aģentu un bija informēts par plānotajiem atentātiem pret Ādolfu Hitleru. 1943. gada 6. aprīlī Bonhēfers tika arestēts. Ieslodzīts dažādās vietās, līdz 1945. gada 9. aprīlī pakārts pēc lauku kara tiesas sprieduma, kopā ar Vilhelmu Kanarisu, Hansu Osteru un citiem. Tas notika divas nedēļas pirms nometni atbrīvoja ASV armija.