Менее чем через месяц Пугачева доставили в Москву для производства генерального следствия. Дознание велось Московским отделением Тайной экспедиции Сената в составе Потемкина, генерал-аншефа М. Н. Волконского и обер-секретаря Тайной экспедиции С. И. Шешковского. В ходе большого допроса, продолжавшегося в течение 10 дней, Пугачев рассказал об основных событиях своей жизни, в том числе об участии в Семилетней войне, Турецкой кампании, скитаниях по донским и поволжским степям, разжигании крестьянской войны и ее основных событиях вплоть до момента его задержания.
В рамках следствия не подтвердились догадки ни о вмешательстве извне, ни о дворянском влиянии на мятежников. Данные Пугачевым в Симбирске и Москве показания об активной роли раскольников при подготовке восстания в ходе очных ставок были опровергнуты. Пугачев признался в оговоре старообрядцев:
Следствие завершилось, настало время суда над Пугачевым и его основными сподвижниками. Манифестом от 19 (30) декабря 1774 года Екатерина II установила список судей, в который вошли некоторые сенаторы, члены Синода и главы коллегий:
«Помянутое следствие злодейских дел, касающихся до сего бунта, от самого начала производили, по повелению нашему, генерал-аншеф князь Михайло Волконский и генерал-майор Павел Потемкин в царствующем граде Москве, которое окончав, ныне в наш Сенат отсылаем, повелевая ему купно с синодскими членами, в Москве находящимися, призвав первых трех классов персон с президентами всех коллегий, выслушать оное от помянутых присутствующих в Тайной экспедиции, яко производителей сего следствия, и учинить в силу государственных законов определение и решительную сентенцию по всем ими содеянным преступлениям противу империи, к безопасности личныя человеческого рода и имущества.»
Императрица негласно контролировала суд над Пугачевым и его соратниками. Ее доверенным лицом в судейском составе был генерал-прокурор Сената А. А. Вяземский — человек, глубоко преданный государыне и готовый исполнить ее любую волю. Перед отъездом Вяземского в Москву императрица подробно проинструктировала его на предмет возможных действий в ходе рассмотрения дела, и с момента прибытия в столицу Вяземский держал Екатерину II в курсе всех событий, возникавших в рамках осуществления правосудия.
В письме к Волконскому, также состоявшему в судебной коллегии, императрица дала последний наказ быть милосердным к подсудимым:
30 декабря 1774 года (10 января 1775 года) в Кремлевском дворце состоялось первое судебное заседание по делу Пугачева. Судьям были зачитаны выдержки из материалов дела, содержащих описание преступных деяний подсудимых. Затем из состава судей были делегированы представители в две комиссии. Одна из них вечером того же дня провела опрос подсудимых в тюремных помещениях, а вторая приступила к подготовке приговора — сентенции. На следующий день коллегия судей заслушала доклад комиссии, проводившей накануне вечером опрос подсудимых. Докладная записка подтвердила, что никто из подсудимых не оспаривал данные в ходе следствия показания и дополнительно ничего не желал сообщить.
После приобщения докладной записки к материалам дела перед судом предстал главный злодей. Пугачева ввели в зал и поставили на колени. Ему задавались вопросы, чтобы публично закрепить собранные о нем сведения: