8 августа 1941 года при попытке выйти из окружения генерал Карбышев был тяжело контужен в бою в районе Днепра, у деревни Добрейка Могилёвской области Белорусской ССР. В бессознательном состоянии был захвачен в плен.

Карбышев содержался в немецких концентрационных лагерях: Замосць, Хаммельбург, Флоссенбюрг, Майданек, Аушвиц, Заксенхаузен и Маутхаузен. Неоднократно от администрации лагерей получал предложения сотрудничать. Несмотря на свой возраст, был одним из активных руководителей лагерного движения сопротивления. В ночь на 18 февраля 1945 года в концлагере Маутхаузен (Австрия), в числе других заключённых (около 500 человек), был после зверских пыток облит водой на морозе и погиб. Тело Д. М. Карбышева было сожжено в печах Маутхаузена.


Вот как описывает гибель Карбышева и его товарищей по несчастью пленный майор канадской армии Седдон Де-Сент-Клер:

"Как только мы вступили на территорию лагеря, немцы загнали нас в душевую, велели раздеться и пустили на нас сверху струи ледяной воды. Это продолжалось долго. Все посинели. Многие падали на пол и тут же умирали: сердце не выдерживало.

Потом нам велели надеть только нижнее бельё и деревянные колодки на ноги и выгнали во двор. Генерал Карбышев стоял в группе русских товарищей недалеко от меня. Мы понимали, что доживаем последние часы. Через пару минут гестаповцы, стоявшие за нашими спинами с пожарными брандспойтами в руках, стали поливать нас потоками холодной воды. Кто пытался уклониться от струи, тех били дубинками по голове. Сотни людей падали замерзшие или с размозженными черепами. Я видел, как упал и генерал Карбышев."

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 16 августа 1946 года Карбышеву Дмитрию Михайловичу присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).

У входа в мемориал на месте лагеря Маутхаузен (Австрия) установлен памятник Герою. Памятники и памятные знаки Д.М.Карбышеву установлены в Москве, Омске, Кургане, Киеве, Таллине, Владивостоке, Гродно. Мемориальные доски установлены: в Бресте на месте, где стоял дом, в котором он жил; в Москве на здании бывшей Военно-инженерной академии, в которой он учился, и на доме, в котором он жил; в Самаре на доме, в котором он работал; в Харькове на доме, в котором он жил. Его имя носит бульвар в Москве, железнодорожная станция в Омской области, малая планета Солнечной системы, танкер, пассажирский теплоход, школы, предприятия, улицы ряда городов, носили пионерские дружины.
26 октября 1880 года, в Омске родился выдающийся русский советский военный инженер, профессор Военной академии Генерального штаба, доктор военных наук, Герой Советского Союза (посмертно), генерал-лейтенант инженерных войск Дмитрий Михайлович Карбышев.
Его отец был родом из дворян.
Дмитрий Карбышев блестяще закончил Сибирский кадетский корпус и в 1898 году был принят в Николаевское инженерное училище.
В 1900 году, по окончании училища, направлен служить в 1-й Восточно-Сибирский сапёрный батальон, начальником кабельного отделения телеграфной роты. Батальон дислоцировался в Манчжурии. В 1903 году Карбышев был произведён в поручики.
Участвовал в Русско-японской войне: поручик Карбышев был начальником кабельного отделения 4-й телеграфной роты 1-го Восточносибирского саперного батальона. В составе батальона укреплял позиции, устанавливал средства связи, наводил мосты, вёл разведку боем. Участвовал в сражении под Мукденом.
За участие в Русско-японской войне Карбышев был награждён 5 орденами (Святого Владимира 4-й степени с мечами и бантом (2.09.1904), Святого Станислава 3-й степени с бантом (4.11.1904), Святой Анны 3-й степени с мечами и бантом (2.01.1905), Святого Станислава 2-й степени с мечами (20.02.1905), Святой Анны 4-й степени для ношения на эфесе личного оружия (не ранее 27.03.1905)) и 3 медалями.
В 1911 году Дмитрий Михайлович с отличием окончил Николаевскую военно-инженерную академию. По распределению штабс-капитан Карбышев был направлен в Брест-Литовск на должность командира минной роты. Там он принимал участие в строительстве фортов Брестской крепости.
Участник Первой Мировой войны с первого её дня. Воевал в Карпатах в составе 8-й армии генерала А.А.Брусилова (Юго-Западный фронт), был дивизионным инженером 78-й и 69-й пехотных дивизий 22-го финляндского стрелкового корпуса. В начале 1915 года участвовал в штурме крепости Перемышль. Был ранен в ногу.
За храбрость и отвагу Карбышев был награждён орденом Святой Анны с мечами и произведён в подполковники. В 1916 году был участником знаменитого Брусиловского прорыва.