Описание следующих роковых секунд остались в показаниях младшего медицинского фельдшера лейб-гвардии Павловского полка В. Горохова:
Как только дым рассеялся, окружающим предстало ужасное зрелище, запечатленное впоследствии в обвинительном акте:
«Прислонившись спиною к решетке канала, упершись руками в панель, без шинели и без фуражки, полусидел на ней возлюбленный монарх, окровавленный и трудно дышавший. Обнажившиеся ноги венценосного страдальца были раздроблены, кровь сильно струилась с них, тело висело кусками, лицо было в крови. Тут же лежала шинель государя, от которой остались лишь окровавленные и обожженные клочья.»
Теряющего сознание императора понесли к саням полковника Дворжицкого. На предложение внести его в ближайший дом для оказания первой неотложной помощи царь слабеющим голосом произнес:
Основной задачей следствия на начальном этапе стало выяснение личности нападавших. При задержании первый бомбометатель, Рысаков, представился вятским мещанином Глазовым: народовольцы часто использовали поддельные документы, чтобы запутать полицию и замести следы. Второй нападавший, чье покушение собственно и привело к смерти императора, сам тяжело пострадал в момент взрыва. Брошенная им бомба сдетонировала, когда он находился в непосредственной близости от своей жертвы. Его в бессознательном состоянии доставили в придворный госпиталь, где он на некоторое время пришел в себя, но к разочарованию следователей на вопрос о своем имени и звании ответил: «Не знаю». Спустя восемь часов после рокового взрыва убийца скончался, унеся с собой важную для следствия информацию о себе и сообщниках.
Таким образом, на первых порах в руках следователей находился арестованный за два дня до убийства Желябов и пойманный на месте преступления Рысаков. Вокруг этих двух фигур постепенно накапливалась информация о других подозреваемых. Так, еще до атаки на императора следователи установили квартиру по улице 1-ой роты Измайловского полка, где проживал Желябов. В день нападения при обыске квартиры были найдены принадлежности для проведения химических опытов и несколько жестяных банок с остатками динамита.
Кроме того, следователи установили, что вместе с Желябовым в квартире проживала некая Лидия Войнова. После задержания Желябова она не появлялась в квартире. Имя оказалось вымышленным, за ним скрывалась Софья Перовская, организатор покушения. 10 (22) марта ее задержали на Невском проспекте, поначалу по подозрению в соучастии в подрыве свитского поезда 19 ноября (1 декабря) 1879 года, а вскоре была установлена ее причастность к цареубийству.