Крайне подозрительным выглядели действия Сухово-Кобылина в промежутке между исчезновением Луизы и идентификацией ее останков. Он предпринимал шумные поиски по возможным адресам нахождения француженки и даже явился к московскому обер-полицмейстеру И. Д. Лужину с просьбой о розысках, причем не один, а с родственником в качестве свидетеля. При этом слуги согласно показали, что ранее Луиза неоднократно без предупреждения уезжала и никогда их барин подобного беспокойства не выказывал. Во флигеле родительского дома, где он проживал, были обнаружены многочисленные пятна крови и следы торопливой уборки, по поводу которых жильцом были даны неудовлетворительные ответы. Неудивительно, что следователи решили: «Сообразив ответы, отобранные от титулярного советника А. В. Сухово-Кобылина, с ответами от камердинера его и повара и найдя разноречие в словах их, а равно приняв в соображение кровавые пятна, найденные в квартире Сухово-Кобылина… то постановили: титулярного советника Александра Васильевича Сухово-Кобылина арестовать». Кроме того, были арестованы четверо дворовых, находившихся в услужении у убитой: горничные Кашкина и Алексеева, повар Егоров и кучер Козьмин.
На следствии А. Сухово-Кобылин пытался объяснить происхождение крови на полу и обоях тем, что повар неосторожно резал курицу. В это время ученые еще не могли отличить кровь человека и животного — впервые это сможет сделать немецкий биолог Пауль Уленгут в начале ХХ века.
Следствие, помимо указанных выше подозрительных обстоятельств, установило, что заявленное Сухово-Кобылиным алиби по меньшей мере ненадежно, поскольку входило в противоречие с показаниями его собственных, а также нарышкинских дворовых. Иными словами, за первые десять дней работы был собран значительный материал, который мог бы лечь в основу обвинительного заключения, но 19 ноября в деле начинает твориться нечто странное: без всяких на то видимых оснований «в особую разработку» берут повара Егорова, который на другой день сознается в убийстве. По его словам, слуги ненавидели хозяйку за то, что она их жестоко наказывала сама, а подчас наговаривала на них любовнику, и тогда расправа бывала еще страшнее. Поэтому, сговорившись вчетвером, они в ночь с 8-го на 9-е проникли в ее спальню и убили, после чего женщины одели тело, а мужчины вывезли его за Пресненскую заставу. Трое других слуг подтвердили показания Егорова. Сухово-Кобылин был освобожден из-под стражи. Дело поступило в первую инстанцию — московский надворный суд.
Сухово-Кобылин отрицал не только связь с Нарышкиной, но и — вопреки общеизвестным фактам — с Симон-Деманш. Суд поверил ему на слово и 13 сентября, через 10 месяцев после убийства, вынес решение крепостных наказать плетьми и отправить на каторгу, а «Сухово-Кобылина, ни в чем по сему делу не виновного, к суду не привлекать».
Дореформенный суд был сословным, для разных сословий существовали разные судебные органы. Поскольку в деле был замешан дворянин, по первой инстанции оно разбиралось Московским надворным судом, состоявшим из назначаемых судей. Второй инстанцией была Губернская уголовная палата в составе шести судей, в большинстве своем выборных от дворянства. Венчал всю эту конструкцию Правительствующий Сенат, два департамента которого располагались в Москве.