В Петербурге Домбровский вступает в кружок польских офицеров, затем становится одним из его руководителей. 6 февраля 1862 приезжает в Варшаву и начинает подпольную работу одним из руководителей Комитета русских офицеров в Польше и члена Центрального Национального Комитета. В июне принимается разработанный Домбровским план восстания. 14 августа Домбровский был арестован и заключён в Варшавскую цитадель. Находясь в заключении, руководит восстанием. После провала восстания был приговорён к 15 годам каторжных работ, но в декабре 1864 сумел совершить побег из московской пересыльной тюрьмы и уехать за границу.