Ildar Dadin avtjänar två och ett halvt år för en serie gatuprotester.
Han berättade för sin advokat att han hade blivit upphängd av sina handfängslade handleder, hade huvudet knuffat ner i en toalett och hotats med våldtäkt och död.
Rysslands fängelsetjänst säger att påståendena är osanna men kommer att undersöka om aktivisten klagar formellt.
Ovanligt nog gjorde anklagelserna rubrikerna om statligt kontrollerad TV på tisdagen efter att Kremls talesman Dmitry Peskov berättade för reportrarna att fallet förtjänar "närmare uppmärksamhet" och att president Vladimir Putin skulle informeras.
Dadins anhängare samlades utanför justitiedepartementet på tisdag kväll i protest.
Ildar Dadin, 34, säger att hans problem började efter att han flyttades till fängelse nummer sju i Karelen i nordvästra Ryssland i mitten av september och skickades direkt till en straffcell.
Mer om denna berättelse:
Nu av isolering, har Dadin dikterat ett brev till sin fru via sin advokat, där han säger att han blev misshandlad och sparkad upprepade gånger av upp till ett dussin fängelsepersonal.
En dag, hävdar han, hängdes han från handlederna i ungefär en halvtimme och orsakade "extrem smärta".
"De tog sedan av mig byxorna och sade att de skulle ta in en annan fånge som skulle våldta mig om jag inte gick med på att avsluta min hungerstrejk", skriver Ildar Dadin.
Han hade slutat äta i protest mot att hållas i en straffcell.
Rysslands FSIN fängelsetjänst berättade för BBC att Dadin sattes i isolering för vad en talesman kallade "våld mot fångregimen", men insisterade på att hans påståenden om misshandel och tortyr var falska.
"Det finns inget sätt olagliga metoder användes, särskilt för en sådan välkänd karaktär," Kristina Belousova berättade BBC per telefon.
"Det är inte första gången vi har sett detta, av människor som försöker locka maximal uppmärksamhet", tillade taleskvinnan.
Ildar Dadin dömdes i december 2015, enligt artikel 21.2.1, en kontroversiell lag som gör upprepade brott mot Rysslands stränga lagar mot gatuprotester till ett brott.
"Vi förväntade oss inte att detta skulle hända. Det är hemskt," advokat Alexei Liptser berättade för BBC, efter att ha besökt sin klient på måndag och transkribera hans konto.
"Han är rädd och dämpad", tillade advokaten.
När anklagelserna om övergrepp spred sig på sociala medier och nådde Kreml beordrade Rysslands ombudsman för mänskliga rättigheter en regional representant att besöka fängelset och sade att hon tog fallet under sin "personliga kontroll".
I en dramatisk avslutning på sitt brev säger Ildar Dadin till sin hustru: " Jag är inte rädd för att dö. Jag är mest rädd för att inte kunna tolerera tortyren."
Ryska tjänstemän undersöker påståenden om att en välkänd oppositionsaktivist upprepade gånger har misshandlats och hotats i fängelse.