Nach dem Militärputsch am 11. September 1973 wurde Letelier beim Betreten seiner Amtsräume im Verteidigungsministerium festgenommen und zunächst im Tacna-Regiment, dann in der Militärakademie gefoltert. Später wurde er acht Monate in ein Gefängnis für politische Gefangene auf der Insel Dawson im Feuerland-Archipel verschleppt, von wo er über ein Gebäude der Luftwaffenakademie in das Konzentrationslager Ritoque gelangte. Nach seiner Freilassung im September 1974 aufgrund massiven diplomatischen Drucks durch den venezolanischen Gouverneur Diego Arria begab er sich nach Caracas. Auf Vorschlag des amerikanischen Schriftstellers Saul Landau, der am Institute for Policy Studies arbeitete, reiste Letelier 1975 nach Washington, D.C. und nahm dort seine Tätigkeit für das Institute for Policy Studies auf.