Po zajetí předala americká armáda (podle dohod z Jalty, které určovaly, že mají být vydáni všichni vojáci přímo bojující proti SSSR) Hartmanna, jeho jednotku s piloty i pozemním personálem do zajateckého tábora v Sovětském svazu. Toto předání proběhlo na území ČSR a to u Písku, kde byli Němci internováni v zajateckém táboře. Hartmann byl transportován do zajateckého tábora za Ural, ale přes nátlak NKVD spolupráci s ní nepřijal. Hartmann byl obviněn z válečných zločinů (přesněji z úmyslného zabíjení civilistů) a odsouzen na 25 let. Obzvláště na počátku zajetí byl vystaven krutému mučení a pobytům v tmavé samotce. Navzdory mučení a ponižování své údajné zločiny nikdy nepřiznal a nenechal se zlomit. Sovětští představitelé se také neúspěšně pokoušeli získat Hartmanna na svoji stranu. Nabízeli mu i vysoký post v nově budovaném letectvu východního Německa. Během zajetí zemřel ve věku tří let Hartmannův syn, kterého nikdy neviděl. Po více než deseti letech strávených v zajetí na Sibiři byl v roce 1955 mezi posledními zajatci repatriovanými do Západního Německa. Zde se opět setkal se svou ženou.