Допрос свидетелей показал, что сырная лавка появилась здесь после того, как в декабре 1880 года супруги Кобозевы наняли это помещение и спустя месяц открыли торговлю. Внешний вид супругов и их манера поведения выдавали в них людей более высокого социального положения, чем предполагала мелкая лавка. Да и сама торговля велась спустя рукава и создавала только видимость некоего процесса. Вскоре выяснилось, что настоящий Евдоким Андреевич Кобозев проживал в Воронеже и торговцы пользовались поддельными документами. В лавке были замечены таинственные посетители, прятавшие лица в высокие воротники. Впоследствии в ходе следственного эксперимента дворники опознали в одном из посетителей Желябова. А по предъявлении Тимофея Михайлова околоточный надзиратель и извозчик узнали в нем незнакомца, который 27 февраля (11 марта) вышел из лавки, взял извозчика и доехал на нем до улицы 1-ой роты Измайловского полка, где находилась квартира Желябова. Перед следователями постепенно вырисовывалась полная картина преступного замысла и взаимосвязей между заговорщиками.
Оставалось только выяснить, откуда народовольцы получали снаряды. Производством взрывчатого вещества занималась специальная динамитная мастерская, которая за время существования сменила немало адресов. Последним местом ее размещения была квартира в доме на углу Невского проспекта и 1-й улицы Песков (ныне 1-я Советская улица).
Мастерской руководил Н. И. Кибальчич, прозванный среди народовольцев «Техником». Он досконально изучил известные в то время публикации о производстве динамита и взрывных устройств на русском и иностранных языках. Будучи талантливым инженером, Кибальчич вносил многие усовершенствования в конструкцию метательных мин. Для нападения на императора он специально разработал разрывной снаряд, приводившийся в действие от удара или сильного встряхивания. Жестяной корпус с установленными в нем взрывателями, капсюлем и гильзой-детонатором заполнялся «гремучим студнем» — желеобразным коллоидным раствором пироксилина, нитроглицерина и камфары. От резкого движения взрыватели передавали импульс в капсюль и гильзу-детонатор, и бомба приводилась в действие.
Испытания снаряда прошли 28 февраля (12 марта), за день до покушения. На пустыре за Невой напротив Смольного института по сигналу «Техника» Михайлов бросил испытательный образец. Бомба успешно взорвалась, после чего в мастерской были изготовлены четыре метательных снаряда аналогичной конструкции для использования при готовившемся покушении. Утром 1 (13) марта Перовская и Кибальчич доставили бомбы на конспиративную квартиру на Тележной улице и раздали метателям.
После рокового взрыва в ходе начавшегося следствия Рысаков в своих показаниях называл «Техника» создателем разрывных снарядов. 17 (29) марта Кибальчича выследили в библиотеке на Невском проспекте и арестовали. Находясь в заключении, он продолжал инженерную работу. В частности, в тюрьме он создал проект реактивного воздухоплавательного прибора, что в эпоху паровых двигателей было смелым инженерным решением и шагом в будущее.
Так следователи определили шестерку подозреваемых в организации и совершении убийства императора: Николай Рысаков, Андрей Желябов, Софья Перовская, Геся Гельфман, Тимофей Михайлов, Николай Кибальчич. Интересно, что непосредственного убийцу, бросившего бомбу под ноги государя, умершего в тот же день, так и не удалось опознать. В материалах дела он фигурировал как «Котик», «Михаил Иванович» и «Ельников». Последняя фамилия стала известна следователям из подложного паспорта, по которому он проживал в столице. Имя убийцы раскрылось уже после суда по «делу первого марта». Им оказался Игнатий Якимович (Иоахимович) Гриневицкий, уроженец Минской губернии, польского происхождения. На момент покушения ему было 25 лет. Существуют свидетельства, что ввиду невозможности установления личности голову Гриневицкого будто бы заспиртовали и поместили в стеклянную банку для будущего опознания. Однако голова до наших дней не сохранилась, и эта история все больше кажется похожей на легенду.
Следствие по «делу первомартовцев» завершилось составлением обвинительного акта и было передано на рассмотрение Особого присутствия Правительствующего Сената, в ведении которого к тому времени находилось рассмотрение государственных преступлений. Судебное разбирательство было назначено на 26 марта (7 апреля). Дата оказалась под вопросом, когда 17 (29) марта полиция задержала Кибальчича. Однако допрос нового подозреваемого и иные необходимые формальности были выполнены быстро, что позволило следователям уже 21 марта (2 апреля) подготовить дополнительный обвинительный акт. К тому же, сам Кибальчич отказался от положенного семидневного срока на ознакомление с делом, вызов свидетелей и подготовку защиты и ходатайствовал о рассмотрении его дела совместно с делом остальных подсудимых.