Sau một thời gian dài mật phục, giữa năm 1983 lực lượng công an cũng đã tóm được Nguyễn Đình Tâm cùng đồng bọn. Với thủ đoạn pha xăng, dầu cùng thuốc trừ sâu để tạo ra thứ thuốc mê dạng khí và dạng lỏng, Tâm dùng hợp chất này để người hít, ngửi đột ngột đều cảm thấy choáng váng, không thể điều khiển được bản thân, dù họ có nhìn thấy rõ mồn một người lạ…
Hai tháng sau, Tòa án nhân dân Quảng Nam – Đà Nẵng đưa vụ án ra xét xử công khai và tuyên phạt Tâm 10 năm tù. Bốn đồng phạm của Tâm cũng lĩnh án từ 8 – 12 năm tù. Tất cả cùng thụ án tại Trại giam An Điềm đóng xã Đại Hưng (huyện Đại Lộc, Quảng Nam).
Vào trại chưa được bao lâu, cuối tháng 10/1983, Tâm cùng đồng bọn lên kế hoạch đục tường trại giam bỏ trốn chỉ với một cây sắt nhặt được. Tâm vào Nam, chọn ấp Phú Quới (xã Long Thạnh, huyện Cái Răng, Hậu Giang) làm nơi ẩn náu, khôn ngoan kiếm cho mình một chứng minh thư, dán ảnh đổi tên thành Nguyễn Đình Dầy (SN 1951, quê Bình Định). Sống tại Hậu Giang được hai năm, Tâm được chính quyền địa phương cho nhập hộ khẩu vào nhà của một người dân trong vùng.