抗日戰爭爆發後，1937年9月成立陝甘寧邊區政府，中共中央決定馬明方擔任邊區政府主席團委員兼內政部代部長、民政廳廳長。長期艱苦的革命鬥爭，他積勞成疾，經中共中央批準於1938年4月赴莫斯科治療，在蘇聯期間，他仍時時關心國內抗戰局勢。
1941年1月，馬明方感覺身體稍微好一些了，就堅決要求回國參加革命鬥爭。當時，中國共產黨與新疆的盛世才建立了新疆抗日民族統一戰線，在省城迪化（今烏魯木齊）設立了八路軍駐新疆辦事處，陳雲是首任中共駐新疆代表兼八路軍駐新疆辦事處主任。在1939年秋至1941年夏期間，我黨有一批幹部自蘇聯回國途經新疆時，由於經過蘭州、西安去延安的道路被國民黨派重兵封鎖，使他們被迫滯留於迪化。在馬明方從蘇聯取道新疆回國時，組織上考慮到當時新疆的複雜局勢，正需要人手，安排馬明方在迪化暫住，擔任八路軍駐新疆辦事處黨支部書記。回到祖國後，馬明方立刻投入火熱的鬥爭生活，他協助八路軍駐新疆辦事處主任鄧發等同誌組織幹部培訓、開展宣傳教育等工作，為維護新疆的和平穩定作出了積極努力。
國民黨頑固派不斷掀起反共逆流，製造了震驚中外的“皖南事變”，中國共產黨及其領導的八路軍進入抗日戰爭的艱苦時期。在此形勢下，慣於搞政治投機的新疆軍閥盛世才，完全暴露其反蘇反共的真麵目，將中共在新疆的100多名共產黨幹部監禁、逮捕，投入監獄，這些幹部受到了非人的待遇和種種折磨。監獄當局將所有人員分開關押，分別投入4個監獄，馬明方先被關押在第4監獄，後又轉押至第1、第2監獄。
馬明方被捕後，在獄中與反動勢力進行了不屈不撓的鬥爭。盛世才勸他，隻要放棄信仰，脫離共產黨，就可立即釋放。他當著審訊者的麵嚴詞拒絕。在獄中，國民黨頑固派用盡了各種酷刑，但他始終堅貞不屈，表現了一個共產黨員崇高的革命氣節。在一次審訊中，國民黨法官誣蔑八路軍破壞抗戰，是“匪”。他怒不可遏，痛斥敵人：“你們完全是一派胡言，八路軍在前線堅持抗戰，你們不抗戰，卻在這裏殘害八路軍，究竟誰破壞抗戰，誰是土匪？”主審法官惱羞成怒，幾個獄卒蜂擁而上，亂棍齊下，把他打得遍體鱗傷。但他大義凜然，繼續揭露國民黨頑固派和盛世才破壞抗戰的罪行。主審法官無計可施，隻好下令把他拖回監獄。
盛世才及其反動勢力見用酷刑逼迫共產黨人就範的辦法無效，又企圖用填登記表的方法削弱共產黨人的鬥誌，聲稱：隻要在表格的“誌願”、“信仰”兩欄內填上“願意回家”、“不再跟共產黨走”，就發給路費，立即釋放回家。馬明方洞察其奸，當著監獄眾多官吏的麵把表填好：“信仰：共產主義；誌願：回延安！”弄得敵人目瞪口呆。
在監獄，馬明方積極參與領導獄中鬥爭，先後組織了三次“反普遍審訊”、三次絕食鬥爭，實現了獄中黨組織提出的“變監獄為戰場”、“變監獄為學校”的戰鬥口號。他時常教育大家要堅決與叛徒鬥爭，並帶領大家唱《國際歌》，學唱《囚徒歌》：“堅定信念，貞守立場，砍頭槍斃，告老還鄉……擲我們的頭顱，奠築自由的金字塔；灑我們的鮮血，染成紅旗，萬載飄揚。”馬明方堅定的共產主義信念和頑強的鬥爭精神，使國民黨頑固派非常害怕，驚歎：“長此羈押，恐非善果。”
盛世才調離新疆後，蔣介石任命吳忠信為新疆省主席，他一上台仍頑固執行盛世才的反共反人民政策。馬明方及獄中黨組織適時提出了“百子一條心，集體無條件釋放回延安”的口號，使全體共產黨員更加緊密地團結起來，揭露了盛世才殘酷殺害陳潭秋、毛澤民、林基路的罪行，挫敗了國民黨策反獄中黨員的陰謀。
中共黨員在新疆被盛世才軟禁關押的消息，很快由共產國際轉遞給中共中央，黨中央迅速電請在八路軍駐重慶辦事處工作的周恩來設法營救。重慶談判時，毛澤東、周恩來還向蔣介石提出釋放關押在新疆監獄的中共人員問題。
1946年3月，張治中被任命為國民政府西北行轅主任兼新疆省主席，他受周恩來的囑托，一上任就決定“釋放政治犯”。1945年4月，中共七大在延安召開，當時還在新疆監獄裏的馬明方，被選為七屆中央委員會候補委員。經過多方努力，馬明方等100多名中共黨員由張治中派員護送於7月11日返回延安，受到毛澤東、朱德等中央領導同誌和邊區人民的熱烈歡迎。
馬明方等人勝利返回延安後不久，除向劉少奇口頭彙報了中共人員在新疆獄中鬥爭情況外，還認真深入總結經驗教訓，寫出了《在新疆監獄中反法西斯鬥爭經過報告》，報送中央組織部，這些史料為中共黨員在新疆的革命工作留下了翔實的依據。然而，也正是這段不平凡的經曆，讓馬明方在後來的歲月中屢遭迫害，以至於被戴上了“叛徒”的帽子。