Всего в ночь на 23 апреля арестовали тридцать четыре человека, по делу которых была назначена «Секретная следственная комиссия». Сначала арестованные находились в тюрьме Третьего жандармского отделения, а через два дня их перевели в Петропавловскую крепость. Ф. М. Достоевского и еще пятнадцать человек поместили в одиночные камеры тюрьмы «Секретного дома» Алексеевского равелина – одного из самых мрачных застенков крепости. Заключенным не давали мыться, практически не кормили, лишали сна.
Достоевский провел в камерах «Секретного дома» (сначала он был помещен в камеру № 9, а после переведен в камеру № 7) восемь месяцев. В первые два месяца ему не разрешали заниматься ничем, а потом было позволено писать и читать. На прогулку выпускали на четверть часа, одного, без товарищей, он гулял «в саду, в котором почти семнадцать деревьев. И это для меня целое счастье» (из письма к брату Михаилу).
Когда Достоевский сидел в крепости, в «Отечественных записках» было напечатано продолжение «Неточки Незвановой», «рассмотренное и дозволенное» цензурой. По ходатайству издателя, повесть было разрешено оставить в журнале с тем, однако, чтобы подпись автора была снята. Достоевский так и не завершил «Неточку Незванову».
К следствию по делу петрашевцев было привлечено около 280 человек. Император настаивал: «Пусть посадят половину жителей столицы, но пусть отыщут нити заговора». Члены комиссии называли Достоевского «умным, независимым, хитрым, сильным, упрямым». Один из членов следственной комиссии говорил ему: «Я не могу поверить, чтобы человек, написавший "Бедных людей", был заодно с этими порочными людьми. Это невозможно! Вы мало замешаны, и я уполномочен от имени государя объявить вам прощение, если вы захотите рассказать все дело». Достоевский молчал.
Он вспоминал много лет спустя: «Когда я отправился в Сибирь, у меня, по крайней мере, оставалось одно утешение, что я вел себя перед судом честно, не сваливал своей вины на других и даже жертвовал своими интересами, если видел возможность своим признанием выгородить из беды других…»
Следствие продолжалось до 17 сентября 1849 года, когда следователи подписали доклад царю, и дело перешло в руки военно-судной комиссии. Суд над петрашевцами начался 30 сентября и закончился 16 ноября. 21 человек из 23 подсудимых был приговорен к «смертной казни расстрелянием».
Приговор Достоевскому гласил: «Военный суд находит подсудимого Достоевского виновным в том, что он, получив в марте месяце сего года из Москвы от дворянина Плещеева (подсудимого) копию с преступного письма литератора Белинского в собраниях: сначала у подсудимого Дурова, потом у подсудимого Петрашевского и, наконец, передал его для списания копий подсудимому Момбелли. Достоевский был у подсудимого Спешнева во время чтения возмутительного сочинения поручика Григорьева под названием «Солдатская беседа». А потому Военный суд приговорил его, отставного инженер-поручика Достоевского за недонесение о распространении преступного о религии и правительстве письма литератора Белинского и злоумышленного сочинения поручика Григорьева – лишить чинов, всех прав состояния и подвергнуть смертной казни расстрелянием».
Даже по законам того времени состав преступления никак не соответствовал наказанию. Петрашевцы стали объектом показательной расправы, причем император лично утвердил церемонию казни. Он выбрал место, указал, какие воинские подразделения должны его окружить, сколько столбов врыть, когда и какие саваны надеть на осужденных. Все было предусмотрено до мельчайших подробностей. Даже указал путь, каким надлежало везти петрашевцев из крепости.
22 декабря 1849 года в половине седьмого утра к оберкомендантскому дому Петропавловской крепости подъехали кареты в сопровождении отрядов конной жандармерии. Узников рассаживали в двухместные кареты, с каждым осужденным садился солдат. Кареты с приговоренными двинулись к казармам лейб-гвардии Семеновского полка: «Прохожие шли и останавливались, увидев перед собою небывалое зрелище – быстрый поезд экипажей, окруженный со всех сторон скачущими жандармами с саблями наголо!»
Семеновский плац был окружен солдатами, построенными в каре. На нем стоял эшафот, возле которого в землю были врыты три столба. Петрашевцы, выпущенные из карет, встретились впервые после долгих месяцев одиночного заточения.
Вскоре появился чиновник со списком в руках и, читая, стал называть каждого по фамилии. Осужденных повели на эшафот вдоль сомкнутых рядов войск. Это было сделано не случайно: на площади стояли те полки, офицеры которых входили в число петрашевцев.