Угроза захвата восставшими Москвы вынудила Екатерину II поступиться принципами и принять решительные меры. Вместо не проявившего себя генерал-поручика Щербатова во главе правительственного войска императрица поставила генерал-аншефа П. И. Панина. Несколько лет до этого назначения Панин пребывал в немилости у царицы, поскольку, по словам Екатерины II, был «первым вралем и себе персональным оскорбителем». Но опасное положение дел и уговоры приближенных заставили ее вернуть опального генерала и вверить ему подавление разгулявшегося восстания.
Ко времени назначения нового командующего в июле 1774 года российское правительство форсировало заключение мирного договора с Турцией. Русско-турецкая война 1768–1774 годов завершилась. 10 (21) июля представители России и Османской империи подписали Кючук-Кайнарджийский договор, и это позволило отозвать с фронта два десятка кавалерийских и пехотных полков, чтобы бросить их на борьбу с мятежниками. Месяцем позже с фронта на внутренний театр военных действий был переведен наиболее успешный полководец, генерал-поручик А. В. Суворов. Так столичные власти выставили против бунтовщиков действительно крупную регулярную армию под предводительством лучших военачальников.
Между тем по непонятной причине отряды Пугачева повернули от Пензы на юг. По всей видимости, казачьи атаманы, предчувствуя поражение, намеревались укрыться от надвигающейся опасности в южных пограничных степях. В августе 1774 года пугачевские войска вышли на Волгу и захватили Саратов. В нескольких днях перехода за отрядами восставших следовал корпус Михельсона. Близость правительственных войск вынудила Пугачева покинуть Саратов и отправиться вниз по Волге, овладевая по пути новыми городами и практически сразу их оставляя. Подойдя к Царицыну, мятежники блокировали город, но, не имея времени для длительной осады, отступили на юг в направлении Черного Яра. Войско Михельсона шло по пятам, пока не настигло отряды бунтовщиков у Солениковой ватаги.
25 августа (5 сентября) 1774 года состоялось последнее крупное сражение крестьянской войны. Практически в самом начале боя регулярные войска сумели отбить у мятежников всю артиллерию. Исход же боя решила атака конницы, которая сабельным ударом разделила отряды восставших, и полное поражение пугачевцев стало лишь делом времени.
Пугачеву с двумя сотнями казаков удалось бежать с поля боя на восток за Волгу. Через несколько дней он был схвачен своими же приближенными и передан властям в обмен на обещания о помиловании казаков — участников пленения Пугачева. Прибывший в Яицкий городок Суворов провел допрос самозванца и под конвоем отправил его в Симбирск, а затем, уже без участия Суворова, Пугачева перевезли в Москву.
Теперь жизнь главного злодея страны находилась в руках властей, против которых он все это время боролся, а, следовательно, его судьба во многом была решена. Оставалось провести показательные следствие, суд и казнь. Гораздо больших усилий требовало усмирение продолжавшихся народных волнений: правительственные войска боролись с последними очагами восстания оружием и виселицами вплоть до середины 1775 года.
Следственное дело Пугачева началось еще в Яицком городке, где первые допросы плененного зачинщика восстания вел чиновник секретной комиссии капитан-поручик С. И. Маврин. Он хорошо знал обстоятельства бунта, поскольку с весны 1774 года проводил следственные действия в отношении попавших в плен участников восстания. В августе того же года Маврин вел следствие по делу о Яицком восстании казаков 1772 года, предшествовавшем пугачевскому. 15 (26) сентября 1774 года Пугачев был опрошен без протокола, а на следующий день показания подследственного уже записывались в протокол. Этот допрос проходил без применения пыток, и полученные в ходе него сведения считаются наиболее достоверными. Пугачев изложил свою биографию, поведал об основных событиях восстания. Розыскные мероприятия продолжились в Симбирске, но уже другим составом следователей.
1 (12) октября 1774 года по прибытии в Симбирск Пугачев предстал перед командующим карательными войсками Паниным и генерал-майором Потемкиным. Последнего Екатерина II еще в июне 1774 года назначила главой Оренбургской и Казанской секретных комиссий, в обязанности которых входило расследование причин и событий мятежа. При проведении допросов Потемкин применял пытки, что, по мнению следствия, должно было способствовать получению правдивых показаний. В ходе допросов «с пристрастием» Пугачев дал вымышленные показания об участии старообрядцев в подготовке восстания и принятии Пугачевым имени императора Петра III. Императрицу крайне волновали причины восстания, в связи с чем влияние раскольников расценивалось как одна из вероятных причин мятежа. Также Екатерина II усматривала возможную вовлеченность в развитие пугачевского бунта иностранных послов и части российского дворянства и упорно искала этому подтверждение.
Менее чем через месяц Пугачева доставили в Москву для производства генерального следствия. Дознание велось Московским отделением Тайной экспедиции Сената в составе Потемкина, генерал-аншефа М. Н. Волконского и обер-секретаря Тайной экспедиции С. И. Шешковского. В ходе большого допроса, продолжавшегося в течение 10 дней, Пугачев рассказал об основных событиях своей жизни, в том числе об участии в Семилетней войне, Турецкой кампании, скитаниях по донским и поволжским степям, разжигании крестьянской войны и ее основных событиях вплоть до момента его задержания.
В рамках следствия не подтвердились догадки ни о вмешательстве извне, ни о дворянском влиянии на мятежников. Данные Пугачевым в Симбирске и Москве показания об активной роли раскольников при подготовке восстания в ходе очных ставок были опровергнуты. Пугачев признался в оговоре старообрядцев:
Следствие завершилось, настало время суда над Пугачевым и его основными сподвижниками. Манифестом от 19 (30) декабря 1774 года Екатерина II установила список судей, в который вошли некоторые сенаторы, члены Синода и главы коллегий:
«Помянутое следствие злодейских дел, касающихся до сего бунта, от самого начала производили, по повелению нашему, генерал-аншеф князь Михайло Волконский и генерал-майор Павел Потемкин в царствующем граде Москве, которое окончав, ныне в наш Сенат отсылаем, повелевая ему купно с синодскими членами, в Москве находящимися, призвав первых трех классов персон с президентами всех коллегий, выслушать оное от помянутых присутствующих в Тайной экспедиции, яко производителей сего следствия, и учинить в силу государственных законов определение и решительную сентенцию по всем ими содеянным преступлениям противу империи, к безопасности личныя человеческого рода и имущества.»
Императрица негласно контролировала суд над Пугачевым и его соратниками. Ее доверенным лицом в судейском составе был генерал-прокурор Сената А. А. Вяземский — человек, глубоко преданный государыне и готовый исполнить ее любую волю. Перед отъездом Вяземского в Москву императрица подробно проинструктировала его на предмет возможных действий в ходе рассмотрения дела, и с момента прибытия в столицу Вяземский держал Екатерину II в курсе всех событий, возникавших в рамках осуществления правосудия.
В письме к Волконскому, также состоявшему в судебной коллегии, императрица дала последний наказ быть милосердным к подсудимым:
30 декабря 1774 года (10 января 1775 года) в Кремлевском дворце состоялось первое судебное заседание по делу Пугачева. Судьям были зачитаны выдержки из материалов дела, содержащих описание преступных деяний подсудимых. Затем из состава судей были делегированы представители в две комиссии. Одна из них вечером того же дня провела опрос подсудимых в тюремных помещениях, а вторая приступила к подготовке приговора — сентенции. На следующий день коллегия судей заслушала доклад комиссии, проводившей накануне вечером опрос подсудимых. Докладная записка подтвердила, что никто из подсудимых не оспаривал данные в ходе следствия показания и дополнительно ничего не желал сообщить.
После приобщения докладной записки к материалам дела перед судом предстал главный злодей. Пугачева ввели в зал и поставили на колени. Ему задавались вопросы, чтобы публично закрепить собранные о нем сведения:
«Ты ли Зимовейской станицы беглой донской казак Емелька Пугачёв? Ты ли по побеге с Дону, шатаясь по разным местам, был на Яике и сначала подговаривал яицких казаков к побегу на Кубань, потом называл себя покойным государем Петром Фёдоровичем? Ты ли содержался в Казани в остроге? Ты ли, ушед с Казани, принял публично имя покойного государя Петра Третьего, собрал шайку подобных злодеев, с оною осаждал Оренбург, выжег Казань и делал разные государственные разорения, сражался с верными ея императорского величества войсками и, наконец, артелью твоей связан и отдан правосудию ея величества, так как в допросе твоём обо всём обстоятельно от тебя показано? Имеешь ли чистосердечное раскаяние во всех содеянных тобою преступлениях?»
На все вопросы судьи услышали утвердительные ответы, а при ответе на последний вопрос Пугачев ожидаемо для всех раскаялся в совершенных преступлениях.
Оживленную дискуссию среди судей вызвало распределение подсудимых по «сортам» в зависимости от тяжести их вины. Первоначально такой жестокий способ наказания, как четвертование, планировалось применить только к Пугачеву. Однако некоторые из судей посчитали наказание путем отсечения головы слишком легким для одного из пугачевских сподвижников, яицкого казака А. П. Перфильева. Назначение же четвертования Перфильеву открыло вопрос об изменении наказания самому Пугачеву, как «в высшей степени повинному» в совершенных преступлениях. Стремясь выделить Пугачева из массы других преступников, судьи предлагали для него еще более страшную казнь — колесование. Компромисс все-таки удалось найти: судьи сошлись на том, чтобы не менять Пугачеву меру наказания, но после четвертования останки надлежало положить на колесах и сжечь.
К 3 (14) января 1775 года комиссия из сенаторов Д. В. Волкова и И. И. Козлова, а также руководителя следствия, Потемкина, подготовила решительную сентенцию (приговор). Пугачев и его сподвижники признавались виновными в совершении многочисленных преступлений, в том числе, среди прочего, намерении завладеть государством, государем быть, в участии словом или делом в бунте, сожжении города, села, деревни или церкви. При назначении наказания суд показательно сделал попытку учесть наказ императрицы о соблюдении норм гуманности: приговор был вынесен,