Khalil, som har uppehållstillstånd och är gift med en amerikanska, var en av ledargestalterna i de propalestinska studentprotesterna på Columbia-universitet i New York i fjol. Han greps den 8 mars i år utan att vara anklagad för brott.
Trump-regeringen vill utvisa honom och anser att hans närvaro i landet riskerar att få ”allvarliga konsekvenser” för USA:s utrikespolitik.
Stämningen lämnades in på torsdagen och enligt Khalil vill han visa att han inte kan tystas.
— De missbrukar sin makt eftersom de tror att de är oantastliga, säger 30-årige Khalil till AP.
— Om de inte känner att det finns någon form av ansvarsutkrävande kommer det att fortsätta.
Khalil uppger att han planerar att dela ett eventuellt skadestånd med andra som drabbats av Trump-regeringens åtgärder mot aktivister.
Den rättighetsorganisation som företräder honom säger i ett uttalande att han i stället för ersättning kan tänka sig en ursäkt och att regeringen överger sin ”grundlagsvidriga” migrationspolitik.
Enligt stämningen syftade frihetsberövandet till att ”terrorisera honom och hans familj”. Khalil har berättat att han serverades oätlig mat under det 104 dagar långa förvaret och tvingades sova under tända lampor.
På grund av frihetsberövandet kunde han inte vara med när hans första barn föddes.
Mahmoud Khalil släpptes efter att en federal domare beordrat det mot en borgen på en dollar.
