Чтобы сбить волну мятежей, карательные отряды начали массовые казни. В каждой деревне, в каждом городке, принимавшем Пугачёва, на виселицы и «
глаголи», с которых едва успели снять повешенных самозванцем офицеров, помещиков, судейских, стали вешать вожаков бунтов и назначенных пугачёвцами городских глав и атаманов местных отрядов. Для усиления устрашающего эффекта виселицы устанавливались на плоты и пускались по главным рекам восстания. В мае в Оренбурге состоялась казнь Хлопуши: его голову на шесте установили в центре города. При проведении следствия применялся весь средневековый набор испытанных средств. По жестокости и количеству жертв Пугачёв и правительство не уступили друг другу.
В ноябре все главные участники восстания были перевезены в Москву для проведения генерального следствия. Их поместили в здании Монетного двора у
Иверских ворот Китай-города. Руководили допросами князь М. Н. Волконский и обер-секретарь С. И. Шешковский. На допросе Е. И. Пугачёв дал подробные показания о родных, о своей юности, об участии в составе Донского казачьего войска в Семилетней и Турецкой войнах, о своих скитаниях по России и Польше, о своих планах и замыслах, о ходе восстания. Следователи пытались выяснить не являлись ли инициаторами восстания агенты иностранных государств, или раскольники, или кто либо из дворянства. Екатерина II проявляла большой интерес к ходу следствия. В материалах московского следствия сохранилось несколько записок Екатерины II к М. Н. Волконскому с пожеланиями о том, в каком плане необходимо вести дознание, какие вопросы требуют наиболее полного и детального расследования, каких свидетелей следует дополнительно опросить. 5 декабря М. Н. Волконский и П. С. Потёмкин подписали определение о прекращении следствия, так как Пугачёв и другие подследственные не могли добавить ничего нового к своим показаниям на допросах и не могли ничем ни облегчить, ни усугубить своей вины. В донесении Екатерине они вынуждены были признать, что они
«…старались при сем производимом следствии изыскать начало предприятого зла сим извергом и его сообщниками или же… к тому злому предприятию наставниками. Но при всем том другого ничего не открылось, как-то, что во всем его злодействе первое начало свое взяло в Яицком войске»
thumb|200px|left|Казнь Пугачёва на Болотной площади. (Рисунок очевидца казни А. Т. Болотова)
30 декабря в Тронном зале Кремлёвского дворца собрались судьи по делу Е. И. Пугачёва. Они заслушали манифест Екатерины II о назначении суда, а затем было оглашено обвинительное заключение по делу о Пугачёве и его сподвижниках. Князь
А. А. Вяземский предложил доставить на следующее заседание суда Пугачёва. Рано утром 31 декабря его под усиленным конвоем перевезли из казематов Монетного двора в покои Кремлёвского дворца. В начале заседания судьи утвердили вопросы, на которые был должен ответить Пугачёв, после чего его ввели в зал заседаний и заставили встать на колени. После формального опроса его вывели из зала, суд вынес решение: «Емельку Пугачёва
четвертовать, голову воткнуть на кол, части тела разнести по четырём частям города и положить на колеса, а после на тех местах сжечь». Остальных подсудимых распределили по степени их вины на несколько групп для вынесения каждой соответствующего вида казни или наказания. В субботу, 10 января
1775 г., на
Болотной площади в Москве при громадном стечении народа была совершена казнь. Пугачёв держался достойно, взойдя на лобное место перекрестился на соборы Кремля, поклонился на четыре стороны со словами «Прости, народ православный». Приговорённым к четвертованию Е. И. Пугачёву и
А. П. Перфильеву палач отрубил сначала голову, таково было пожелание императрицы В тот же день повесили
М. Г. Шигаева,
Т. И. Подурова и В. И. Торнова.
И. Н. Зарубин-Чика был отправлен для казни в Уфу, где и был четвертован в начале февраля 1775 года.