В 1941 году присвоена учёная степень доктора военных наук. Перед началом Великой отечественной войны занимал должность старшего преподавателя кафедры тактики высших соединений Высшей Военной академии им. К. Е. Ворошилова. Карбышеву принадлежит наиболее полное исследование и разработка вопросов применения разрушений и заграждений. Значителен его вклад в научную разработку вопросов форсирования рек и других водных преград. Он опубликовал более 100 научных трудов по военно-инженерному искусству и военной истории. Его статьи и пособия по вопросам теории инженерного обеспечения боя и операции, тактике инженерных войск были основными материалами по подготовке командиров Красной Армии в предвоенные годы. Помимо этого, Карбышев был крупным специалистом в области строительства, эксплуатации и восстановления железных дорог, мостов, туннелей, реставрации древних крепостей и храмов, консультантом Учёного совета по реставрационным работам в Троице-Сергиевой Лавре, научным руководителем и главным архитектором которых был назначен И. В. Трофимов. 6 миллионов рублей было выделено на реставрацию после экспертного заключения Д. М. Карбышев о Лавре как о крепости. Участник советско-финской войны 1939—1940 годов. В составе группы заместителя начальника Главного военно-инженерного управления по оборонительному строительству вырабатывал рекомендации войскам по инженерному обеспечению прорыва линии Маннергейма. В 1940 году осуществлял руководство фортификационными работами по усовершенствованию цитадели Брестской крепости. В начале июня 1941 года Д. М. Карбышев был командирован в Западный Особый военный округ, где инспектировал ход строительства фортификационных сооружений 68-го Гродненского укрепленного района. Уезжая из Москвы, он говорил, что рассчитывал на скорую победу над врагом. Великая Отечественная война застала его в штабе 3-й армии в Гродно. Через 2 дня он перешёл в штаб 10-й армии. 27 июня штаб армии оказался в окружении. В июне 1942 года начальник штаба инженерных войск Красной Армии докладывал в Главное управление формирования и укомплектования Красной Армии, что Д. М. Карбышев «в середине июля 1941 года, одетый в гражданское платье, за неделю до выхода отряда Голубева (командующий 10-й армией) из окружения, ушёл из отряда в направлении на Смоленск». 8 августа 1941 года при попытке выйти из окружения генерал Карбышев был тяжело контужен в бою у реки Днепр возле деревни Добрейка Могилёвской области Белорусской ССР. В бессознательном состоянии был захвачен в плен. Карбышев содержался в лагере для военнопленных Шталаг-324 близ города Острув-Мазовецка (филиал которого был в Гродно), в тюрьме гестапо в Берлине, в лагере на пересыльном пункте РОА в Бреслау, в немецких концентрационных лагерях: Замосць, Хаммельбург, Флоссенбюрг, Майданек, Освенцим (Аушвиц), Заксенхаузен, Маутхаузен. Неоднократно от администрации лагерей получал предложения сотрудничать. По свидетельству надзиравшего за Власовым сотрудника личной охраны Власова офицера СД Хмырова-Долгорукого, чтобы скрыть членство
