Wer den entscheidenden Hinweis gab, ist noch nicht geklärt, aber sicher ist, dass die Nationalsozialisten am Morgen des 4. August 1944 gegen 10 Uhr in der Prinsengracht erschienen, nachdem ein Anruf bei der Gestapo eingegangen war. Die Helfer konnten die Juden nun nicht mehr schützen und mussten dem aus Österreich stammenden Karl Josef Silberbauer das Versteck zeigen. Kugler und Kleiman wurden in das SD-Gefängnis in der Euterpestraat gebracht. Sie kamen am 11. September 1944 ins Polizeiliche Durchgangslager Amersfoort. Kleiman wurde am 18. September 1944 aus gesundheitlichen Gründen entlassen, Kugler gelang am 28. März 1945 die Flucht. Bep Voskuijl konnte das Chaos bei der Festnahme nutzen, um mit einigen Dokumenten, die auf Verbindungen zum Schwarzmarkt hinwiesen, zu fliehen. Miep Gies sammelte die Blätter mit Annes Aufzeichnungen, die Silberbauer bei seiner Suche nach einem Behälter für das Geld und den Schmuck der Gefangenen auf dem Boden verstreut hatte, und verwahrte sie in einer Schublade, um sie nach dem Krieg an Anne oder ihren Vater zurückzugeben.
Die Versteckten wurden zunächst bei der Gestapo verhört und über Nacht festgehalten. Am 5. August brachte man sie in das überfüllte Gefängnis Huis van Bewaring in der Weteringschans. Zwei Tage später kamen die Juden ins Durchgangslager KZ Westerbork. Da sie als Verbrecher galten, mussten sie in den Strafbaracken harte Arbeit verrichten. Die Frauen arbeiteten – von den Männern getrennt – in einer Batterien-Abteilung. Sie lebten in der Hoffnung, sich durch die Arbeit unentbehrlich zu machen und so einem noch schlimmeren Schicksal zu entgehen. Jedoch hörten sie nicht nur Gerüchte über die Fortschritte der Alliierten, sondern auch Nachrichten über Transporte in die Konzentrationslager im Osten. Anne wirkte nach Angaben der anderen Gefangenen in Westerbork wie gelöst. Nach der langen Zeit im Versteck holte sie sich ihre Zuversicht durch den Glauben an Gott. Am 2. September wurde sie mit ihrer Familie und der Familie van Pels beim Appell zum Transport nach Auschwitz ausgewählt.