Наиболее показательным и неожиданным для Степаняна оказался допрос второго подозреваемого, Багдасаряна. Сотрудники КГБ сообщили ему, что его напарника отправили в милицию, где он страдает в камере от холода. По словам сотрудников, он попросил принести его теплые вещи, но следователи не знали, какие вещи ему принадлежат. Указав на подоконник с собранной там одеждой, они попросили Багдасаряна отыскать шапку и куртку своего товарища. Тот уверенно взял с подоконника вещи Степаняна, но через мгновение, опомнившись, отказался от своего выбора. Тем не менее следователям удалось сделать нужные фотографии и подтвердить осведомленность Багдасаряна о том, кому принадлежали вещи, найденные в сумке с бомбами на Курском вокзале.
Полную ясность в вопрос о причастности задержанных к теракту в Москве внесли показания матери Степаняна. Ее спросили о месте нахождения сына. Она рассказала, что около десяти дней назад ее сын сообщил ей о намерении отправиться в Цахкадзор покататься на лыжах. С ее слов, он взял с собой сумку, положил в нее немного продуктов и спортивный костюм. С тех пор она его не видела. На вопрос, сможет ли она узнать ту самую сумку, она указала на нее среди прочих представленных на опознание. Именно эту сумку нашли напичканной бомбами на Курском вокзале и прислали в Ереван для следственной работы. Следователи окончательно уверились, что перед ними находились настоящие преступники.
Активная работа союзных органов КГБ встретила внезапное сопротивление местных властей в лице первого секретаря ЦК Компартии Армении К. С. Демирчяна. Он в категоричной форме потребовал прекратить произвол и беззаконие, которые учинили московские следователи. Демирчян грозился дойти до высшего руководства КПСС, если следственные мероприятия не будут безотлагательно остановлены, а задержанные — отпущены на свободу. Из Москвы начали поступать тревожные звонки. Перед следователями замаячила перспектива свертывания работы по делу и освобождения подозреваемых в связи с истечением трехдневного срока первоначального задержания. Только неопровержимые доказательства виновности задержанных могли изменить позицию местных властей.
Решающие доказательства следователи рассчитывали получить в ходе обысков, и результат оказался действительно впечатляющим. В квартире Степаняна были обнаружены полные аналоги бомб, найденных на Курском вокзале. Совпадали детали взрывных устройств: провода, корпуса, шпильки, шрапнель и т. п. При должной сноровке из них можно было бы собрать еще несколько точно таких же адских машин. Эта находка позволила продлить арест подозреваемых: найденные вещдоки взяли на встречу с первым секретарем, упаковав их в два портфеля. Третий портфель содержал детали бомбы с Курского вокзала. Увидев смертоносные снаряды, Демирчян перестал препятствовать следствию, хотя об уголовном деле в республике все также предпочитали молчать. Политика неразглашения должна была разорвать любую связь между советской Арменией и ужасными терактами.
Кроме бомб и их деталей, в квартире Степаняна следователи обнаружили важное свидетельство того, что преступления координировал третий человек. Идейным вдохновителем преступлений оказался Степан Затикян, один из основателей и активный участник подпольной Национальной объединенной партии (НОП) Армении. В найденных записках Степанян обращался к нему как к руководителю и организатору терактов.
НОП стремилась добиться независимости Армении, вела энергичную пропагандистскую работу, в частности, выпускала свою газету «Парос» («Маяк»). Ко времени описанных событий партия уже отказалась от революционной борьбы и в качестве основного способа достижения цели рассматривала проведение народного референдума. Но, как оказалось, Затикян перешагнул через партийную линию и счел вполне допустимой организацию взрывов для устрашения советского общества и обретения Арменией независимости.
Обыск в квартире Затикяна позволил подтвердить его руководящую роль в преступной группе. Главной находкой — помимо деталей бомб — оказалась схема взрывного устройства, которое использовалось в московских терактах. Экспертиза показала, что схема выполнена рукой Затикяна. В ходе опроса свидетелей следователи получили дополнительные данные о попытках Затикяна вовлечь в преступную деятельность новых участников, а также изготовлении и испытании взрывных устройств в Армении. Отдельные свидетели подтвердили пребывание Степаняна и Багдасаряна в Москве в день взрывов. Так был окончательно очерчен круг обвиняемых. На рассмотрение суда наконец поступило уголовное дело по обвинению Затикяна, Степаняна и Багдасаряна в совершении террористических актов.
Судебные заседания проходили в Верховном Суде СССР с 16 по 20 января 1979 года. Дело слушалось в закрытом режиме, в зал судебных заседаний были допущены только операторы для ведения видеосъемки. На видеозаписи сохранились выступления обвиняемых. Их речи и поведение на суде были проникнуты националистическими мотивами. Организатор терактов Затикян в судебном заседании говорил о непризнании власти, предавшей его суду: