В суматохе схватить убегавшую женщину сразу не удалось. Толпа вылилась за пределы территории завода на Большую Серпуховскую улицу. По отдельным свидетельствам, за женщиной бежали дети и своими криками не позволили ей раствориться в толпе. Вскоре неподалеку на трамвайной остановке предполагаемую убийцу задержали. Помощник военного комиссара 5-й Московской Советской пехотной дивизии С. Н. Батулин так вспоминал момент задержания Каплан:
После выяснения личности Каплан доставили во Всероссийскую чрезвычайную комиссию (ВЧК), где в ходе допросов она призналась в покушении. В первом протоколе допроса от 30 августа 1918 года, от подписи в котором Каплан отказалась, зафиксировано:
«Я сегодня стреляла в Ленина. Я стреляла по собственному убеждению. Сколько раз я выстрелила — не помню. Из какого револьвера я стреляла, не скажу, я не хотела бы говорить подробности. Я не была знакома с теми женщинами, которые говорили с Лениным. Решение стрелять в Ленина у меня созрело давно. […] Стреляла в Ленина я потому, что считала его предателем революции и дальнейшее его существование подрывало веру в социализм. В чем это подрывание веры в социализм заключалось, объяснить не хочу. Я считаю себя социалисткой, сейчас ни к какой партии себя не отношу.»
Лишь в пятом протоколе допроса от 31 августа под признательными показаниями появилась подпись Каплан:
Эксперимент, инсценировавший ход событий преступления был проведен 2 сентября на месте покушения на территории завода Михельсона. В эксперименте были задействованы участники следственной группы: российско-эстонский революционер В. Э. Кингисепп и чекист, руководитель расстрела царской семьи Я. М. Юровский, который чуть больше месяца назад прибыл в Москву после событий в Ипатьевском доме Екатеринбурга. В инсценировке покушения Юровский вел фотодокументирование следственных действий, а Кингисепп изображал Фанни Каплан и делал описание сцен, получившихся на фотографиях. К следственному эксперименту также был привлечен непосредственный свидетель покушения — Гиль, водитель Ленина. В ходе эксперимента следователи проверили взаимное расположение основных действующих лиц покушения — Каплан, Ленина, женщины, с которой Ленин вел разговор, и водителя, — места обнаружения гильз, условия видимости и другие обстоятельства преступления.
Участь Каплан была очевидна. Несмотря на незаконченность следствия, ее расстреляли 3 сентября на территории Кремля. Свидетельство о последних днях жизни террористки оставил непосредственный исполнитель приказа — комендант Кремля П. Д. Мальков. Выполняя поручение, он привез Каплан из ВЧК в Кремль и поместил ее в подвальной комнате Большого дворца. Через два дня из ВЧК поступил расстрельный приказ, который решено было исполнить в тупике двора автобоевого отряда. Останки Каплан должны были быть уничтожены без следа. Во двор выгнали несколько автомобилей и, чтобы заглушить звуки выстрелов, запустили двигатели. Когда во двор завели Каплан, на звук моторов из квартиры над помещениями автобоевого отряда спустился советский поэт Демьян Бедный. На его глазах приказ привели в исполнение: