На судебном процессе неоднократно звучали фамилии Зиновьева и Каменева как идейных вдохновителей и организаторов контрреволюционной работы в партии. Следствие определило их в состав «Московского центра» зиновьевской организации и туда же причислило многих представителей партийной оппозиции второй половины 1920-х годов: Г. Е. Евдокимова, И. П. Бакаева и других.
Суд над членами «Московского центра» состоялся 15 и 16 января 1935 года. В судебном заседании Зиновьев в очередной раз покаялся в надежде максимально смягчить наказание:
«На скамье подсудимых сидит нас много, больше 15 человек, с различными биографиями. Среди нас много таких, которые в рабочем движении участвовали немалое количество лет. Многое они делали по доверию ко мне, и я за это, конечно, должен себя казнить… Свою задачу в этой стадии я вижу в том, чтобы до конца чистосердечно и искренне перед судом рабочего класса раскаяться в том, что я понимаю как ошибку и преступление, и рассказать это так, чтобы это кончилось раз и навсегда с данной группой…»
Военная коллегия Верховного Суда СССР признала всех подсудимых виновными в подпольной антисоветской деятельности и некоторых также в связях с представителями «Ленинградского центра». Суд возложил на них моральную и политическую ответственность за убийство Кирова и назначил им длительные тюремные сроки.
В следующем году основные фигуранты «Московского центра» стали участниками нового процесса по делу «Антисоветского объединенного троцкистско-зиновьевского центра». Их обвинили в выполнении директивы Троцкого об организации террористического центра. Им припомнили участие в убийстве Кирова и подготовке террористических групп для ликвидации Сталина, Ворошилова, Кагановича и других высоких партийных функционеров. Суть нового разбирательства емко выразили заключительные слова обвинительной речи прокурора А. Я. Вышинского:
Этот процесс послужил началом целой серии судебных дел, в ходе которых власть изобличала и наказывала неугодных ей членов партии и государственных служащих. Таким образом, из партийных и политических рядов вычищали оппозицию, нарушавшую стройность и управляемость властной вертикали.
Помимо повышения партийной дисциплины, советское руководство взялось за массовую проверку работы силовых ведомств. Убийство Кирова давало к этому удобный повод. Практически сразу после трагедии подозрения в причастности к ней стали падать на сотрудников правоохранительной системы. В деле появились странные обстоятельства, которые косвенно указывали на возможную вовлеченность в преступление работников НКВД. В частности, казалось загадкой, как Николаев проник в тщательно охраняемый Смольный с оружием — якобы это могло свидетельствовать о заведомом содействии ему охранной службы. В действительности же проход в Смольный не был особенно сложным для члена партии и бывшего служащего Смольного, а для ношения оружия достаточно было иметь разрешение.
Выяснилось, что за полтора месяца до убийства Николаева задержали сотрудники оперативной группы ленинградского НКВД по негласной охране Кирова, но после непродолжительной проверки отпустили. 15 октября 1934 года во время пешего следования Кирова в компании своего заместителя М. С. Чудова из Смольного к дому на улице Красных Зорь (ныне Каменностровский проспект), где проживал Киров, охрана заметила подозрительного человека. Как следует из протокола допроса оперативного комиссара, производившего задержание,