Ο Αλέξανδρος Παναγούλης συμμετείχε ενεργά στον αγώνα για την επαναφορά της δημοκρατίας και εναντίον του στρατιωτικού καθεστώτος του Γ. Παπαδόπουλου (1967-1974). Λιποτάκτησε από το στράτευμα και ίδρυσε την οργάνωση Εθνική Αντίσταση. Αυτοεξορίστηκε στην Κύπρο για να καταστρώσει σχέδιο δράσης. Εκεί έρχεται σε επαφή με τους πολιτικούς άνδρες του τόπου, όπως ο Πολύκαρπος Γιωρκάτζης, με σκοπό να τους ζητήσει να συνδράμουν στην αντίσταση. Επανέρχεται στην Ελλάδα και μαζί
με στενούς του συνεργάτες σχεδιάζει την απόπειρα δολοφονίας του δικτάτορα Παπαδόπουλου την 13η Αυγούστου 1968 κοντά στη Βάρκιζα. Αποτυγχάνει και συλλαμβάνεται. Όπως σημειώνει η Οριάνα Φαλάτσι στην συνέντευξη της με τον Αλέξανδρο Παναγούλη μετά την απελευθέρωση του, η πράξη του ήταν μια πολιτική πράξη εναντίον της δικτατορίας. Η Φαλάτσι αναφέρει τον Α. Παναγούλη ως εξής: Δεν επιδίωξα να σκοτώσω έναν άνθρωπο. Δεν είμαι ικανός να σκοτώσω έναν άνθρωπο. Επιδίωξα να σκοτώσω έναν τύραννο.
Μετά από μερόνυχτα συνεχούς βασανισμού, οδηγείται ημιθανής στο νοσοκομείο και κατόπιν δικάζεται από το Στρατοδικείο στις 3 Νοεμβρίου 1968 και καταδικάζεται δις εις θάνατον, μαζί με άλλα μέλη της Εθνικής Αντίστασης, στις 17 Νοεμβρίου 1968. Μεταφέρεται στην Αίγινα για την εκτέλεση η οποία όμως ματαιώθηκε χάρη στις πιέσεις της διεθνούς κοινότητας και αφού προσπάθησαν να πείσουν τον Παναγούλη να υπογράψει για να του δοθεί χάρη. Στις 25 Νοεμβρίου 1968 ο Παναγούλης μεταφέρθηκε από την Αίγινα στις Στρατιωτικές Φυλακές του Μπογιατίου (Σ.Φ.Μ.), όπου και του επιβλήθηκε η «ποινή του εντοιχισμού» όπως λέει ο ίδιος. Από εκεί δραπετεύει στις 5 Ιουνίου 1969, συλλαμβάνεται όμως εκ νέου και οδηγείται προσωρινά στο στρατόπεδο στου Γουδή για να μεταφερθεί μετά από ένα μήνα και πάλι στις φυλακές Μπογιατίου. Εκεί τον περιμένει η απομόνωση σε κελί που το έφτιαξαν ειδικά για τον Παναγούλη και ήταν σαν αντίγραφο τάφου. Επιχειρεί να δραπετεύσει αρκετές φορές ανεπιτυχώς. Γράφει ποιήματα ως διέξοδο. Συνεχίζει να γράφει ακόμα και όταν του κατάσχουν κάθε γραφική ύλη χρησιμοποιώντας για μελάνι το αίμα του και για χαρτί τους τοίχους του κελιού-τάφου του.
Ο Α. Παναγούλης σύμφωνα με ορισμένους αρνείται την πρόταση απονομής χάριτος που του προσέφερε η χούντα. Τον Αύγουστο του 1973 – μετά από τεσσεράμισι σχεδόν χρόνια φυλάκισης – απελευθερώθηκε βάση της γενικής αμνηστίας που απένειμε το καθεστώς των συνταγματαρχών στους πολιτικούς κρατούμενους, κατόπιν της αποτυχημένης προσπάθειας του Γ. Παπαδόπουλου να φιλελευθεροποιήσει το καθεστώς του. Αυτοεξορίζεται εκ νέου, αυτή τη φορά στην Φλωρεντία της Ιταλίας, για να επαναδραστηριοποιηθεί στην αντίσταση, ουσιαστικά όμως συνεχίζει την αντίσταση στην Ελλάδα ερχόμενος κρυφά όπου και οργανώνει ομάδες αντίστασης.
Στην μεταπολίτευση ο Αλέξανδρος Παναγούλης εκλέγεται βουλευτής της Β΄ Αθηνών με την Ένωση Κέντρου-Νέες Δυνάμεις (Ε.Κ.-Ν.Δ., σήμερα Ένωση Δημοκρατικού Κέντρου) στις εκλογές της 17ης Νοεμβρίου 1974.
Επιδιώκει την απομόνωση των πολιτικών που συνεργάστηκαν με το δικτατορικό καθεστώς της Χούντας και εξαπολύει σωρεία καταγγελιών. Λίγο μετά την εκλογή του έρχεται σε ρήξη με την ηγεσία του κόμματος του γιατί είχε συγκεντρώσει στοιχεία για τη συνεργασία του Δημήτρη Τσάτσου με το χουντικό καθεστώς, με συνέπεια να αρνηθεί να συνυπάρξει με τον «προδότη» στο ίδιο κόμμα και παραιτείται. Παρέμεινε όμως στη Βουλή των Ελλήνων ως ανεξάρτητος βουλευτής. Επιμένει στις καταγγελίες του και έρχεται σε ανοιχτή αντιπαράθεση με τον Υπουργό Εθνικής Αμύνης, Ευάγγελο Αβέρωφ και τον Δημήτρη Τσάτσο. Δέχθηκε πολιτικές πιέσεις αλλά και απειλές για τη ζωή του για να αποσύρει τις καταγγελίες του, όπως διαρρήξεις στο πολιτικό του γραφείο, μηνύματα που του άφηναν άγνωστοι κλπ.
Σκοτώνεται την πρωτομαγιά του 1976 σε ηλικία 36 ετών κατόπιν τροχαίου ατυχήματος στην λεωφόρο Βουλιαγμένης (το αυτοκίνητό του πήγε και έπεσε σε υπόγειο κατάστημα επί της λεωφόρου κάθετα στην πορεία), λίγες μέρες πριν την αποκάλυψη των φακέλων σχετικά με τα όργανα ασφαλείας της Χούντας (Φάκελος ΕΣΑ). Η αποκάλυψη των φακέλων, που δεν έλαβε χώρα ποτέ, λέγεται ότι περιείχε αδιαμφισβήτητες αποδείξεις εις βάρος ορισμένων πολιτικών που συνεργάστηκαν με την χούντα. Κατά πολλούς, το τροχαίο ατύχημα είχε στηθεί για να θέσει τον Αλέξανδρο Παναγούλη εκτός μάχης και να εξαφανίσει τις αποδείξεις που είχε υπό την κατοχή του. Δεν έχει παρουσιαστεί ωστόσο μέχρι σήμερα κανένα τεκμήριο για όλες αυτές τις εικασίες.