Dès 1951 (alors que sa famille avait été déportée en 1944), à l'âge de 18 ans, il milite pour la reconnaissance des droits des Tatars et leur retour en Crimée en fondant l'Union des jeunes Tatars de Crimée. Entre 1966 et 1986, il est arrêté à six reprises par les autorités d'URSS pour activités anti-soviétiques et a purgé ses peines dans les prisons soviétiques et les camps de travail, ou vécu sous surveillance. Djemilev serait aussi connu pour avoir initié une longue grève de la faim.