Тем временем император покинул Михайловский дворец. Приблизительно в 14 часов 15 минут в створе Екатерининского канала царская карета повернула направо и двинулась в сторону Театрального моста. На другой стороне канала находилась Софья Перовская, на глазах которой и произошли все основные события происшествия.
Первым на пути государя в районе примыкания Михайловского сада к набережной канала оказался Рысаков. Как только царская карета приблизилась, он выхватил снаряд и с силой метнул его под копыта запряженных в карету лошадей. Позже в показаниях Рысаков так описывал этот момент:
Прозвучал хлопок страшной силы. Взрывная волна веером разошлась по близлежащим улицам и переулкам. Рысаков попытался скрыться с места преступления, но споткнулся и был задержан. Сопровождавший императора полковник Дворжицкий выскочил из саней и бросился к месту взрыва. Царская карета от мощного удара лишилась задней стенки, внешняя обшивка была ободрана и висела лохмотьями. Дворжицкий нашел Александра II невредимым и, открыв дверцу, помог ему выбраться из кареты. Потрясенный император прошел мимо раненых казаков и случайных прохожих и приблизился к схваченному террористу. Узнав от присутствовавших, что перед ним стоял действительный виновник происшествия, и вопреки уговорам покинуть место покушения, император пожелал вернуться к карете и осмотреть следы взрыва.
Описание следующих роковых секунд остались в показаниях младшего медицинского фельдшера лейб-гвардии Павловского полка В. Горохова:
Как только дым рассеялся, окружающим предстало ужасное зрелище, запечатленное впоследствии в обвинительном акте:
«Прислонившись спиною к решетке канала, упершись руками в панель, без шинели и без фуражки, полусидел на ней возлюбленный монарх, окровавленный и трудно дышавший. Обнажившиеся ноги венценосного страдальца были раздроблены, кровь сильно струилась с них, тело висело кусками, лицо было в крови. Тут же лежала шинель государя, от которой остались лишь окровавленные и обожженные клочья.»
Теряющего сознание императора понесли к саням полковника Дворжицкого. На предложение внести его в ближайший дом для оказания первой неотложной помощи царь слабеющим голосом произнес:
Основной задачей следствия на начальном этапе стало выяснение личности нападавших. При задержании первый бомбометатель, Рысаков, представился вятским мещанином Глазовым: народовольцы часто использовали поддельные документы, чтобы запутать полицию и замести следы. Второй нападавший, чье покушение собственно и привело к смерти императора, сам тяжело пострадал в момент взрыва. Брошенная им бомба сдетонировала, когда он находился в непосредственной близости от своей жертвы. Его в бессознательном состоянии доставили в придворный госпиталь, где он на некоторое время пришел в себя, но к разочарованию следователей на вопрос о своем имени и звании ответил: «Не знаю». Спустя восемь часов после рокового взрыва убийца скончался, унеся с собой важную для следствия информацию о себе и сообщниках.
Таким образом, на первых порах в руках следователей находился арестованный за два дня до убийства Желябов и пойманный на месте преступления Рысаков. Вокруг этих двух фигур постепенно накапливалась информация о других подозреваемых. Так, еще до атаки на императора следователи установили квартиру по улице 1-ой роты Измайловского полка, где проживал Желябов. В день нападения при обыске квартиры были найдены принадлежности для проведения химических опытов и несколько жестяных банок с остатками динамита.
Кроме того, следователи установили, что вместе с Желябовым в квартире проживала некая Лидия Войнова. После задержания Желябова она не появлялась в квартире. Имя оказалось вымышленным, за ним скрывалась Софья Перовская, организатор покушения. 10 (22) марта ее задержали на Невском проспекте, поначалу по подозрению в соучастии в подрыве свитского поезда 19 ноября (1 декабря) 1879 года, а вскоре была установлена ее причастность к цареубийству.
3 (15) марта по наводке Рысакова следователи нагрянули на конспиративную квартиру в доме номер 5 по Тележной улице. Желая произвести эффект внезапности, полиция явилась на адрес ночью. После стука в дверь с требованием впустить их в квартиру для проведения обыска следователи услышали несколько выстрелов. Затем неизвестная женщина открыла дверь, и в первой же комнате они увидели окровавленного мужчину, который, по-видимому, сам нанес себе несколько ранений из револьвера. От полученных ран он вскоре скончался. В ходе последующей проверки он оказался дворянином Николаем Алексеевичем Саблиным, народовольцем и владельцем этой квартиры. Полиция арестовала открывшую им дверь женщину, ее звали Геся Гельфман, она проживала совместно с Саблиным и также состояла в рядах «Народной воли».
Самым примечательным в квартире, впрочем, оказалось другое: явные следы приготовления к покушению на императора. Как видно из обвинительного акта по уголовному делу, помимо инструментов для изготовления химических смесей, в квартире находились
«две метательные мины, взрывающиеся при бросании от удара, в жестянках, заключающих в себе, как подробно объяснено в заключении и чертежах генерал-майора Федорова, взрывчатый аппарат, который представляет систему сообщающихся друг с другом снарядов: а) с серной кислотой, б) со смесью бертолетовой соли, сахара и сернистой сурьмы, в) с гремучей ртутью и г) из пироксилина, пропитанного нитроглицерином. Передавая друг другу посредством стопина воспламенение, вследствие удара или сотрясения, снаряды эти доводят его наконец до смеси гремучего студня с камфарой, действующего при взрыве в шесть раз сильнее пороха; часть означенного аппарата устроена вдвойне таким образом, чтобы взрыв последовал при падении метательной мины в каком бы то ни было направлении.»
Помимо сырья и приспособлений для создания взрывательных снарядов, следователи изъяли два плана Санкт-Петербурга. На первом типографском плане карандашом было обведено здание Зимнего дворца, тонкие карандашные линии следовали от здания Михайловского манежа вдоль Инженерной улицы, по зданиям Михайловского дворца и Екатерининскому каналу. На втором рукописном плане была схематично изображена местность между Невским проспектом, Екатерининским каналом, Инженерной и Малой Садовой улицами — четырехугольник, в пределах которого произошли основные события 1 (13) марта. Знаками на плане были отмечены участки на Екатерининском канале, Манежной площади и Малой Садовой улице. Следователи поняли, что перед ними находились доказательства тщательно спланированной операции, а квартира выступала местом производства метательных бомб, сбора террористов и выдачи им инструкций.
На этом перипетии с квартирой на Тележной улице не закончились. Утром 3 (15) марта по завершении ночного обыска в дом явился неизвестный молодой мужчина. На вопрос дворника он назвал несуществующий в доме номер квартиры. Его пригласили в квартиру номер 5, где его задержали оставшиеся после обыска полицейские чины. При попытке провести личный досмотр неизвестный выхватил револьвер и сделал несколько выстрелов, ранив двух человек. После того как молодого человека обезоружили и связали, его доставили в управление столичного градоначальника для выяснения личности и производства следственных действий. Он оказался крестьянином Смоленской губернии Тимофеем Михайловым. В его личных вещах обнаружили экземпляр высочайшего Манифеста от 1 (13) марта 1881 года о восшествии на престол императора Александра III. На обороте Манифеста следователи прочитали начертанные от руки адреса трех мест в Санкт-Петербурге, среди которых значилась кондитерская Исакова на углу Невского проспекта и Малой Садовой улицы с обозначением времени 4 часов. Вполне предсказуемо, что полиция нагрянула в кондитерскую и раскрыла следующее звено в преступной цепочке.
Кондитерская Исакова располагалась в доме графа Менгдена на углу Невского проспекта и Малой Садовой улицы. По словам дворников в том же доме в подвальном помещении находилась странная лавка. Она вызывала подозрение тем, что торговля велась для вида и не привлекала много покупателей. Содержатели лавки, семейная чета Кобозевых, внезапно скрылась сразу после известных событий, связанных с убийством императора. В лавке после этого была обнаружена земля и инструменты для выполнения земляных работ. 4 (16) марта полиция произвела осмотр торгового помещения и в смежной с лавкой жилой комнатке обнаружила подкоп, доведенный до проезжей части Малой Садовой улицы.
Допрос свидетелей показал, что сырная лавка появилась здесь после того, как в декабре 1880 года супруги Кобозевы наняли это помещение и спустя месяц открыли торговлю. Внешний вид супругов и их манера поведения выдавали в них людей более высокого социального положения, чем предполагала мелкая лавка. Да и сама торговля велась спустя рукава и создавала только видимость некоего процесса. Вскоре выяснилось, что настоящий Евдоким Андреевич Кобозев проживал в Воронеже и торговцы пользовались поддельными документами. В лавке были замечены таинственные посетители, прятавшие лица в высокие воротники. Впоследствии в ходе следственного эксперимента дворники опознали в одном из посетителей Желябова. А по предъявлении Тимофея Михайлова околоточный надзиратель и извозчик узнали в нем незнакомца, который 27 февраля (11 марта) вышел из лавки, взял извозчика и доехал на нем до улицы 1-ой роты Измайловского полка, где находилась квартира Желябова. Перед следователями постепенно вырисовывалась полная картина преступного замысла и взаимосвязей между заговорщиками.
Оставалось только выяснить, откуда народовольцы получали снаряды. Производством взрывчатого вещества занималась специальная динамитная мастерская, которая за время существования сменила немало адресов. Последним местом ее размещения была квартира в доме на углу Невского проспекта и 1-й улицы Песков (ныне 1-я Советская улица).
Мастерской руководил Н. И. Кибальчич, прозванный среди народовольцев «Техником». Он досконально изучил известные в то время публикации о производстве динамита и взрывных устройств на русском и иностранных языках. Будучи талантливым инженером, Кибальчич вносил многие усовершенствования в конструкцию метательных мин. Для нападения на императора он специально разработал разрывной снаряд, приводившийся в действие от удара или сильного встряхивания. Жестяной корпус с установленными в нем взрывателями, капсюлем и гильзой-детонатором заполнялся «гремучим студнем» — желеобразным коллоидным раствором пироксилина, нитроглицерина и камфары. От резкого движения взрыватели передавали импульс в капсюль и гильзу-детонатор, и бомба приводилась в действие.
Испытания снаряда прошли 28 февраля (12 марта), за день до покушения. На пустыре за Невой напротив Смольного института по сигналу «Техника» Михайлов бросил испытательный образец. Бомба успешно взорвалась, после чего в мастерской были изготовлены четыре метательных снаряда аналогичной конструкции для использования при готовившемся покушении. Утром 1 (13) марта Перовская и Кибальчич доставили бомбы на конспиративную квартиру на Тележной улице и раздали метателям.