وی پس از بازداشت، ماه‌ها در سلول‌های انفرادی بند ۲ الف زندان اوین جهت اخذ اعترافات ساختگی نگه داشته شد و سرانجام در مهرماه سال ۱۳۸۹ از سوی شعبه ۲۸ دادگاه انقلاب، به ریاست قاضی مقیسه، به سه سال زندان محکوم گردید. این حکم در دادگاه تجدیدنظر نیز تأیید شد.[۳][۴]
مهدی خدایی، فعال حقوق بشر، همچنین پیش از این، از سوی شعبه ۱۵ دادگاه انقلاب به ریاست قاضی صلواتی به اتهام «اقدام علیه امنیت ملی از طریق برپایی تجمعات» و «تبلیغ علیه نظام» به چهار سال زندان محکوم شده بود که این حکم نیز عیناً به تأیید دادگاه تجدیدنظر رسید. وی در مجموع به هفت سال زندان محکوم شده است.[۵][۶][۷]
طی دوران زندان مهدی خدایی مجموعه گفتگوهایی را با زندانیان سرشناس از جمله دکتر فریبرز رییس دانا، دکتر علیرضا رجایی، دکتر سعید مدنی و دکتر رحمن قهرمانپور پیرامون بررسی وضعیت حقوق بشر از زوایای اقتصادی، سیاسی، روشنفکری دینی و آسیب های اجتماعی به انجام رساند که در قالب کتابی با عنوان رویکردهای چندگانه به حقوق بشر در ایران از سوی انتشارات H&S media در لندن به چاپ رسید.[۹]
