В Москву в Тайную экспедицию были одновременно доставлены Максим Шигаев, Афанасий Перфильев, Зарубин-Чика, Горшков, Торнов-Персиянинов, Иван Почиталин, Тимофей Мясников и многие другие пугачевцы. Десять дней подряд у Пугачева выпытывали все — «от корени», как приказывала самодержавная правительница. Вел дознание при участии П. С. Потемкина главный «мастер сыскных дел» обер-секретарь Тайной экспедиции Сената С. Шешковский, которого Екатерина не зря прислала из Петербурга. По ее выражению, он «особливый дар имеет с простыми людьми… до точности доводить труднейшие разбирательства». Этот «дар» заключался в способности необыкновенно жестоко обращаться с арестованными. Шешковский изнурял их побоями и при этом «производил следствие в комнате, уставленной иконами и во время стонов и раздирающих душу криков читал акафист сладчайшему Иисусу и божьей матери».
Пугачева допрашивали в течение двух месяцев почти каждый день. Первые десять дней — с 4 по 14 ноября — от него требовали подробных показаний о себе, о самозванстве, о ходе восстания. Затем вызывали для разных дополнений и уточнений и устраивали очные ставки с Зарубиным, Шигаевым, Торновым, Денисом Караваевым и другими активными сподвижниками.
Наконец 5 декабря М. Н. Волконский и П. С. Потемкин объявили Екатерине об окончательном завершении следствия. В протоколе Секретной комиссии записано:
Опять документы Тайной экспедиции с неопровержимой ясностью свидетельствуют о том, как «увещевали» каратели арестованных. Ужаснейшими мучениями… Из этих же документов явствует, насколько мужественно пугачевцы держались.
«Сей допрос, — говорится в начальных строках записи показаний И. Зарубина, — показателю яицкому казаку Зарубину, по прозванию Чика и названному от самозванца графом Чернышевым, был в присутствии читан, в чем он
«Я никогда не мог вообразить, — докладывал Потемкин Екатерине о Зарубине. — Через три дня, находясь в покаянной, нарочно сделанной, где в страшной темноте ничего не видать, кроме единого образа, перед которым горящая находится лампада, увещевал его… но ничего истинного найти не мог».
А Афанасия Перфильева синод даже предал анафеме «за его упорство и ожесточение… до самой последней минуты жизни своей в своем окаменении пребывшего и все спасительные средства ему предоставленные отвергнувшего…».
Сам Пугачев продолжал поражать своей стойкостью всех, кто с ним сталкивался. Даже Екатерина была вынуждена признать его внутреннюю силу. В одном из своих частных писем, давая оценку «бунтовщику», она призналась:
Усердие карателей привело к тому, что многие подследственные под пытками погибали. Обессилел и Пугачев. Екатерине доложили: П. С. Потемкин «по приезде в Москву гораздо слабее его нашел против того, каков он из Симбирска был отправлен». Не отрицая этого, председатель следственной комиссии московский генерал-губернатор Волконский оправдывался:
Объяснения Волконского не удовлетворили Екатерину.
Генерал-прокурор Сената князь А. А. Вяземский из Петербурга в Москву — М. Н. Волконскому: