В 1958 году, после массовой драки в рабочем общежитии между местными рабочими и депортированными чеченцами, в которой не участвовал, был арестован и приговорён к двум годам заключения в Карагандинском исправительно-трудовом лагере (Карлаг). После годичной отсидки из лагеря бежал, ещё около года скрывался и жил без документов и постоянной работы. 29 октября 1960 года Анатолий попытался перейти советско-иранскую границу, но был задержан и посажен в следственную тюрьму Ашхабадского КГБ. 3 марта 1961 года Верховный Суд Туркменской ССР приговорил Анатолия Марченко к шести годам лагерей по статье за измену Родине.