טלי פחימה נעצרה ב-8 באוגוסט 2004, ומאז היא מוחזקת בכלא בעינויים ובבידוד. לאחר חודשיים של חקירות בשב"כ ו-3 חודשי מעצר מנהלי הוגש נגדה כתב אישום מגוחך וחסר בסיס. טלי נרדפת כי קראה תיגר על הגדרות והמחסומים – מערכת ההפרדה הנבנית בין יהודים וערבים בארץ הזו, יצאה נגד מדיניות החיסולים הבלתי-חוקית, ויצרה קשרים עם פלסטינים המבוססים על סולידריות במאבק נגד הכיבוש, במסגרת של פעילות הומניטרית-חינוכית.

משפטה של טלי פחימה יתקיים ב-17, 18 ו-19 ביולי 2005, וב-18 ו-19 בספטמבר. בית המשפט העליון קבע כי היא תוחזק במעצר עד תום ההליכים. טלי פחימה תשב לפחות שנה וחצי (לפני גזר-הדין) בכלא על דברים שכל אחד מאיתנו חשב, עשה, או רצה לעשות ולא היה אמיץ מספיק.

טלי הוחזקה בבידוד במשך יותר מתשעה חודשים. בעקבות עתירתה לבית המשפט המחוזי, היא כבר לא נמצאת בבידוד מוחלט, היא רשאית להסתובב באגף בו היא נמצאת 4 שעות ביום, והחל מחודש יוני מותר לה להתקשר בטלפון לאמה ולעורכת הדין שלה (לאסירות בכלא מותר להסתובב באגף בכל שעות היום, והן יכולות להשתמש בטלפון הציבורי בצורה חופשית ולדבר עם מי שהן רוצות).

מאז מעצרה של טלי פחימה יצרו שלטונות הבטחון ומערכת המשפט הישראליים את הרושם כי טלי עברה עבירות חמורות כנגד "בטחון המדינה", כי סייעה לביצוע פיגועים, וכי היא מסוכנת לציבור. מסע ההסתה נגדה גובל בהתרת דם.

טלי פחימה היא פעילה פוליטית. מתוך התעניינות פוליטית ואנושית היא יצרה קשרים עם חברים בארגון הפתח (גדודי חללי אל-אקצה) במחנה הפליטים ג'נין, ובעקבות נסיון להתנקש בחייו של ראש הארגון, זכריה זביידי, הצהירה בעבר בכלי התקשורת על נכונותה לשמש לו "מגן אנושי". היא ביקרה פעמים מספר במחנה הפליטים ג'נין, והחל מחודש מאי 2004 החלה בנסיון להקים פרוייקט העשרה (ספריה וכיתת מחשב) לילדי מחנה הפליטים, אשר סוכל עקב מעצרה. כל פעילותה של טלי היתה גלויה, וחלק ניכר ממנה תועד על-ידי התקשורת הישראלית ביוזמתה של טלי.

טלי פחימה נמצאת בכלא, מבודדת ומושתקת, מכיוון שבעצם פעילותה בקרב פלסטינים, בעצם הזדהותה עם המאבק הפלסטיני להיפטר מהכיבוש, היא מאיימת על יסודות התפיסה הישראלית השוללת כל צורה של מאבק נגד הכיבוש. בעצם נוכחותה במחנה הפליטים בג'נין היא מאיימת על התעמולה הרואה במאבק נגד הכיבוש רצון להשמדת ישראל והיהודים – ההשקפה המייצרת את הטרור ואשר נבנית ממנו; ההשקפה שבונה התנחלויות, הורסת בתים ותשתיות, מפעילה מדיניות של חיסולים, מקימה חומות ומחסומים.

ביום ראשון, ה-30 בינואר 2005, בבית המשפט העליון בירושלים, פירסם השופט אליקים רובינשטיין את החלטתו לקבל את הערר של המדינה על החלטת בית-המשפט המחוזי להעביר את טלי פחימה למעצר-בית, ולהשאיר את טלי במעצר עד תום ההליכים. בין היתר כותב רובינשטיין כי "לפנינו מסוכנות של אדם המזדהה משמעותית עם מטרה אידאולוגית, שעה שהגבול בין הבעת הזדהות לגילויים של סיוע היטשטש וכמו נמחה; ובכך נעשה אדם 'שבוי מטרה'", וזאת "גם אם יכלו אחרים לקרוא את החומר".

ב-24.1.2005 החליט השופט גורפינקל בבית המשפט המחוזי בתל-אביב לדחות את בקשת המדינה למעצר עד תום ההליכים ולהעביר את טלי למעצר בית. בניגוד לעשרת השופטים שפסקו לפניו בעניין טלי בערכאות השונות, נדמה כי השופט גורפינקל היה הראשון שאכן עיין בחומר בצורה עניינית ולא התרשם ממסכת ההפחדה והאיומים של השב"כ ושל הפרקליטות שאינה מגובה באף ראייה. השופט רובינשטיין שינה את ההחלטה ו"יישר קו" שוב עם המערכת.

ביום א', ה-26 בדצמבר 2004, הוגש כנגד טלי פחימה כתב אישום המייחס לה עבירות של "סיוע לאויב במלחמה, מסירת ידיעה לאויב ולתועלתו, מגע עם סוכן חוץ, החזקת נשק בלא רשות ע"פ דין, תמיכה בארגון טרוריסטי, והפרת הוראה חוקית". הסעיפים המפחידים הללו, שהרשעה בגינם יכולה להוביל לשנים ארוכות בכלא, מסתכמים בחשד שטלי פחימה הקריאה והסבירה לפעילי "גדודי חללי אלאקצא" בג'נין מסמך ששכח הצבא במחנה, ושתיעד מבצע שנועד להרוג או לעצור את "המבוקשים" המצוינים בו. "לאור הסבריה של הנאשמת", קובע כתב האישום, "הורה בהמשך זביידי למבוקשים להסתתר עד לאחר סיומו של המבצע הצבאי… המבוקשים אשר ביצעו את הנחייתו של זביידי והסתתרו, לא נעצרו". כמו כן נאשמת טלי בעבירה של תמיכה בארגון טרוריסטי, בשל התבטאויותיה באמצעי התקשורת כנגד חיסולו של זביידי והצהרותיה כי תשמש לו "מגן אנושי". אישומים מינוריים יותר בכתב-האישום מתייחסים לטענה כי טלי החזיקה ברובה וירתה בו יריה אחת, וכן לעצם הכניסה לג'נין ולמפגש עם הלוחמים במחנה הפליטים. לא צריך להיות מומחה לבטחון בשביל לדעת שמבוקשים לא צריכים את טלי פחימה בשביל לדעת שהצבא מחפש אחריהם, ובודאי לא על מנת לקרוא מסמכים צבאיים הנופלים לידיהם. כשרואים את "

טלי פחימה נעצרה ב-9 באוגוסט 2004 בדרכה לג'נין, ונחקרה במשך 28 ימים בחקירה קשה בשב"כ, שכללה הטרדות מיניות, תא מזוהם בו דלוק אור 24 שעות ביממה, כיסוי עיניים ואזיקה מכאיבה. ב"חקירה" ניסו החוקרים "להפוך את טלי ליהודיה טובה" (כך הם אמרו לה), ולשכנע אותה כי אין כיבוש, ולמרות הפצרותיה סירבו לומר לה במה היא נחשדת באופן ספציפי. כשלא נמצאו כנגדה שום ראיות היא הועברה למעצר מנהלי – שלושה חודשים היתה טלי עצורה בבידוד בכלא נוה תרצה, קורבן להתעללויות של הסוהרים שהיו האנשים היחידים מלבד אמה ועורכת הדין שלה אותם ראתה. כמעט חודש מתוך אותם שלושה חודשים "בילתה" טלי בצינוק, כשהיא "מוענשת" במניעת קנטינה, סיגריות, חפצים אישיים כגון שמפו ומשחת שיניים, מכתבים וספרים. ב-5 לדצמבר, יום לפני דיון בבית-המשפט המחוזי באישור המשך המעצר המנהלי, היא הועברה שוב לשלושה שבועות של חקירת שב"כ. גם חקירת שב"כ זו כללה עינויים והתעללויות פיזיות ונפשיות. בימי החקירה הראשונים נקשרה טלי באזיקים לכיסא מאחורי הגב, ונמנעו ממנה הליכה לשירותים וטיפול רפואי. בתום חקירה זו הוגש כתב האישום.