Во время тщательного четырёхдневного (!) обыска в доме, где жил Чайкин, полиция обнаружила множество фрагментов украденного (жемчужины, серебряные детали, разноцветные камни, обрезки риз и т. п.). В печи в золе нашлись обгорелые жемчужины, гво́здики, проволока и кусочки материи. Монахини опознали в найденном фрагменты похищенного в соборе. 5 июля Чайкин и его сожительница Кучерова были задержаны на пароходе в Нижнем Новгороде.
Операцию возглавил лично глава нижегородской полиции барон Александр фон Таубе. Получив сообщение, что нужных ему людей видели на пароходе, он отправился на пристань, предшествующую Нижнему Новгороду, дождался прихода судна и взял казанскую парочку под наблюдение, подтвердившее обоснованность подозрений. При аресте у Чайкина и его дамы были изъяты паспорта на имя супругов Сорокиных, револьвер, 200 рублей ассигнациями и 300 рублей золотом, часть которых была тщательно спрятана.
Был установлен «подельник» Чайкина Ананий Комов; также возникли сильные подозрения в отношении сторожа, который, как выяснилось, был хорошо знаком с Чайкиным и, по мнению следователей, тоже был причастен к ограблению. Малолетняя дочь Кучеровой рассказала, что видела, как Чайкин и Комов разрубили иконы, а мать Кучеровой Елена Шиллинг сожгла их в печке.
Чайкин, оказавшийся на самом деле «по пач-порту» крестьянином Варфоломеем Андреевичем Стояном, был хорошо известен полиции. В своё время он начинал как обычный грабитель, но действовал настолько дерзко, что за ним числился убитый солдат и двое раненых полицейских; затем он решил заняться чем-то менее рискованным и стал «клюквенником» (вором, специализировавшимся на краже церковной утвари). Все другие участники преступления довольно быстро начали давать показания; при этом они всячески выгораживали себя и «топили» друг друга. По итогам расследования Чайкин, Комов, Максимов и Захаров были обвинены в том, что, «по предварительному между собой соглашению и имея при себе оружие, коим могли причинить смерть или увечье, в ночь на 29 июня в г. Казани из запертого собора в честь явления Казанской Божией Матери тайно похитили: а) святые иконы Казанской Божией матери и Спасителя в драгоценных ризах и б) из свечных шкафов с лишком 3000 руб. незаписанных в церковные книги денег, причём для совершения означенных похищений сломили замок у западных дверей собора…»; Кучерова и Шиллинг обвинялись в том, что участвовали в «сокрытии похищенного».
«Горе защите!..»
Дело было расследовано вполне добросовестно, однако у защиты (особенно в отношении женщин-соучастниц) имелись определённые перспективы. Но суд неожиданно столкнулся с тем, что подсудимые не смогли выбрать адвокатов: казанские присяжные поверенные организованно и категорически отказались защищать святотатцев. Суду пришлось употребить власть и назначить защитников. Большинство из них были молодыми людьми, и им было труднее, чем их маститым коллегам, «отползти» от опасного ввиду господствующих эмоций поручения.
Например, адвокат Чайкина Георгий Густавович Тельберг, сын обрусевшего шведа, пришедший в адвокатуру незадолго до процесса с университетской скамьи, ещё до начала судебных заседаний стал главным объектом нападок черносотенной печати. «Телеграф и газеты так дружно переврали мою фамилию, что последняя трансформация в одной провинциальной газете выглядела следующим образом: «Известный еврей Шальберг нанялся за сто тысяч рублей защищать гнусного святотатца; вся христианская адвокатура возмущена очередной еврейской наглостью». Будучи от рождения христианином, и притом очень кротким, я прямо испугался, не вызову ли я волны еврейских погромов».