Спустя три часа после преступления в Смольном главному врачу санчасти с трудом удалось привести убийцу в чувство, и его доставили на допрос. К этому времени Федору Тимофеевичу удалось опросить ряд сотрудников управления, просмотреть дневник и другие бумаги, которые были в сумке у Николаева. Из дневника, исписанного нервным почерком, выяснилось, что он несколько раз пытался попасть на прием к Сергею Мироновичу. Секретарь отказывал, но обещал передать заявление лично Кирову.
Помимо дневника в сумке была найдена карта Ленинграда с обозначением маршрута, по которому Сергей Миронович часто ходил пешком от Смольного до своего дома на Каменноостровском проспекте. В этих случаях охрана обычно следовала в машине, а Кирова на улице сопровождали два сотрудника: один шел сзади, другой — впереди. Они заметили, что за Кировым ходит подозрительного вида мужчина. Николаев был задержан милиционером в подъезде дома и доставлен в НКВД. При обыске в сумке у него нашли пистолет с патронами, упомянутую выше карту. Однако, по указанию И. Запорожца, Николаев был отпущен с пистолетом.
На допросе перед Фоминым предстал худощавый, плохо одетый дегенеративного вида мужчина лет 35 (по документам ему было 30). В партии с 1920 г. — инструктором РКИ (Рабоче-крестьянская инспекция). Закончил вечернюю партшколу. За отказ ехать на трудовой фронт был исключен из партии, затем восстановлен по указанию из Москвы. В настоящее время безработный. На вопросы отвечал сбивчиво, путался, впадал в истерику, несколько раз повторял, что его выстрел прозвучал на весь мир. Причины убийства сообщить отказался. Подтвердил свои записи в дневнике. За Кировым «охотился» давно. На днях был на перроне Московского вокзала во время прихода «Красной стрелы», на которой Киров вернулся из Москвы с Пленума ЦК. Киров шел по перрону в окружении сотрудников обкома и НКВД, приблизиться к нему было невозможно. После этого в очередной раз пытался попасть на прием и опять получил отказ.
Были также допрошены жена и мать Николаева. При обыске на квартире у каждой из них было найдено по 5000 руб.
Жена Николаева Мильда Драуле, латышка по национальности, работала в столовой Смольного. Жили они в отдельной квартире, одно время снимали дачу в Сестрорецке.
Дальнейшее расследование было приостановлено, так как пришло сообщение, что к Ленинграду приближается литерный поезд с членами Политбюро ЦК ВКП(б). Все поехали встречать.
В Ленинград прибыли Сталин, Молотов, Ворошилов, Жданов, а также Ежов, Вышинский и др. Сталин вышел из вагона первым, ни с кем не поздоровался, а Ф. Медведя ударил по лицу, молча выслушал краткий доклад Фомина. Рядом по стойке «смирно» стоял Г. Ягода. Затем Сталин спросил, где находится тело Кирова. Поехали в Смольный.
Ф. Т. Фомин от расследования сразу же был отстранен. Его назначили начальником штаба по поддержанию революционного порядка в городе.
Сталин решил сам заняться выяснением обстоятельств убийства Кирова. В Смольный были доставлены Николаев, его жена и мать. Допрашивал их Сталин по очереди. Затем Сталин потребовал доставить охрану Кирова, которая находилась под арестом в управлении НКВД. Время шло, а охрану все не привозили.
Позже выяснилось, что машина попала в аварию, в результате погибли Борисов и два других охранника Кирова.
Сталину, видимо, ждать надоело. Он вышел в приемную и, обращаясь к присутствующим, изрек: «Николаева надо поддержать физически. Купите курочек, фрукты, подкормите, подлечите, и он все расскажет. Для меня и так совершенно ясно, что в Ленинграде действует хорошо организованная контрреволюционная террористическая организация и убийство Кирова — дело ее рук. Надо все тщательно расследовать» (свидетельство Ф. Фомина). Так Сталин заранее предопределил результаты дальнейшего расследования и последующие за этим репрессии. В конце декабря 1934-го — январе 1935 года дело рассматривалось на закрытом процессе в Ленинграде. Председательствовал В. Ульрих. Обвинителем выступал А. Вышинский.
Основным «свидетелем» был Л. Николаев, которого ежедневно обрабатывали, обещали за нужные показания сохранить жизнь и выпустить через два-три года. Было установлено, что убийство С. М. Кирова организовано «ленинградским террористическим троцкистско-зиновьевским центром».
Л. Николаева и тех, кого он оговорил, сразу после процесса расстреляли.
Ф. Медведя, И. Запорожца, Ф. Фомина и других ответственных работников ленинградского НКВД арестовали в 1935 г. и обвинили в преступной халатности. Их выслали на три года в Сибирь. В 1937–1938 гг. против них были выдвинуты новые обвинения. Медведя расстреляли в 1937 г., Запорожца — в 1938 г.
Ф. Т. Фомина в 1938 г. обвинили в попытке покушения на членов Политбюро в момент их приезда в Ленинград 2 декабря 1934 г., но жизнь ему сохранили. В 1937 г. по делу Кирова в Ленинграде была расстреляна группа молодых сотрудников НКВД, которые ни по возрасту, ни по занимаемому положению к событиям 1934 г. не могли быть причастны.