28 и 29 декабря 1934 года в Ленинграде военная коллегия Верховного суда СССР под председательством В. В. Ульриха рассмотрела в закрытом судебном заседании дело Николаева и еще 13 подсудимых, обвиняемых в подготовке и совершении террористических актов, направленных против представителей советской власти (ст. 58–8 и 58–11 УК РСФСР). По версии обвинения все подсудимые относились к «Ленинградскому центру» контрреволюционной зиновьевской организации. В обвинительном заключении, подготовленном Прокуратурой СССР, содержалось краткое описание преступных целей подсудимых: «Предварительным следствием установлено, что основной задачей подпольной антисоветской террористической группы являлось стремление дезорганизовать руководство Советского правительства путем террористических актов, направленных против главных руководителей Советской власти, и добиться таким путем изменения нынешней политики в духе так называемой зиновьевско-троцкистской платформы. Потеряв всякую надежду на поддержку масс, представлял собой замкнутую и политически обреченную антисоветскую группу, ее участники, ввиду безнадежности осуществления своих целей, встали на путь прямого террора». По словам подсудимого Ханика, основной целью преступной группы являлась ликвидация высшего советского руководства: Сталина, Молотова, Кагановича и Кирова.
Во время судебного допроса Николаев подтвердил показания, данные им в ходе предварительного следствия, и признал свою вину в участии в антисоветской организации и совершении террористического акта. Большинство подсудимых также подтвердили причастность к контрреволюционной зиновьевской группе, но отрицали вовлеченность в террористическую деятельность. Роль же тех, кто все-таки признался в подготовке террористического акта, на поверку оказалась опосредованной. К примеру, подсудимый Юскин объяснил свою вину тем, что проявил бездействие, услышав слова Николаева о намерении устранить Кирова: «Я не принял мер, когда услышал фразу Николаева, стало быть, я участник преступления».
Категорическое несогласие с обвинением об участии в преступлении высказал подсудимый Котолынов. В последнем слове он призвал суд подробно разобраться в обстоятельствах дела и принять справедливое решение: «Я, товарищи, заявляю с полной ответственностью, что все, что у меня было, все жало [язвительное чувство. — Прим. автора], которое было приобретено, я его выпустил, но в организации убийства т. Кирова, в организации террористической группы я не виноват, я не виноват абсолютно. Сами понимаете — нет смысла мне скрывать это, потому что я прекрасно понимаю, что, если мне суд не поверит, если мне партия не поверит, если пролетарское государство не поверит, я знаю, чем кончится. И несмотря на это, мне либо врать, что была такая группа, что я разговаривал с Николаевым, или сказать правду. Этого у меня не было. Я любую кару могу принять на себя, доказать партии и пролетарскому государству, но ни о какой пощаде я не молю, и я требую сурового наказания, но в этом убийстве я не участвовал, и в этом заключается моя трагедия». По показаниям остальных подсудимых Котолынов непосредственно руководил подготовкой к убийству Кирова.
29 декабря 1934 года суд вынес обвинительный приговор всем подсудимым без исключения и назначил им высшую меру наказания — расстрел. Приговор был приведен в исполнение незамедлительно, спустя всего час после его оглашения.