Следствие и суд над Емельяном Пугачёвым и его сообщниками потребовали особого внимания императрицы Екатерины II и её правительства. Перед следствием стояла задача не только выяснения обстоятельств биографии Пугачёва и его сторонников, происхождения заговора и его причин, но и определения мер для предотвращения подобных мятежей в будущем. К следствию были привлечены как постоянно действующие государственные органы: Тайная экспедиция Сената, Генерал-аудиторская экспедиция Военной коллегии, губернские и гарнизонные канцелярии и суды, так и специально организованные судебно-следственные Секретные комиссии в Казани, Оренбурге, Яицком городке. Первые допросы Пугачёва после пленения в сентябре 1774 года были проведены в Яицком городке, затем в октябре — в Симбирске. С ноября 1774 года генеральное следствие над Пугачёвым и его главными сообщниками проводилось в Москве при деятельном участии Екатерины II, контролировавшей и управлявшей его ходом. Манифестом от 19 декабря 1774 года императрица известила об окончании следствия и об учреждении суда. Проведение судебного процесса было возложено на Сенат с привлечением высших сановников империи и президентов всех коллегий. Судебные заседания были проведены в Московском Кремле 30—31 декабря 1774 года и 9 января 1775 года и завершились вынесением приговора — «сентенции» от 10 января 1775 года, по которой к смертной казни через четвертование были приговорены Пугачёв, Перфильев и Зарубин. Шигаев, Подуров и Торнов были приговорены к повешению. Другие участники восстания — к телесным наказаниям и к каторге или ссылке в зависимости от тяжести признанной за ними вины.

Деятельность Секретных следственных комиссий Первую «секретную комиссию» для проведения следствия над участниками восстания Екатерина II предписала учредить в Казани генерал-аншефу А. И. Бибикову, одновременно с назначением его командующим войсками против Пугачёва в ноябре 1773 года. В её состав были включены офицеры гвардии А. М. Лунин, С. И. Маврин, В. И. Собакин и секретарь Тайной экспедиции Сената И. Зряхов. Большинство среди задержанных правительственными органами в ноябре — декабре 1773 года составляли распространители указов и посланий Пугачёва либо просто схваченные за досужие сплетни крестьяне и обыватели. 30 ноября 1773 года Бибиков составил наставление капитану гвардии Лунину: «Употребя всё ваше искусство, усердие и верность, чтоб доискаться допряма не токмо с какого подвига сии разгласители таковые зловредные и непозволенные разглашения производили: от самого ли самозванца Пугачёва и его сообщников они направлены куда и с каким намерением. И не можно ли чрез них отыскать прямое начало сего смятения и замешательства…». Императрицу особо интересовали истоки возможного заговора, в частности, не был ли он инспирирован иностранными государствами. Бибиков в наставлении советовал назначенным следователям проявить всю возможную изощрённость для работы в этом направлении: «Нужна будет вся ваша способность и искусство, чтоб кстати и у места употребить тихость и умеренность, или самую строгость и устрашение, дабы узнать представленного пред вас свойство…; и коварных, тож и отчаянных и упорных привести на стезю откровенности…». При этом весь ход следствия предписывалось хранить в условиях строжайшей секретности.

Учреждённая секретная комиссия подчинялась через Бибикова напрямую императрице, минуя все прочие ступени властных органов, указы и распоряжения комиссии подлежали неукоснительному соблюдению всеми учреждениями и должностными лицами, включая губернаторов. 9 декабря 1773 года вновь назначенные следователи прибыли в Казань и приступили к допросам. Казанский губернатор Брандт выделил секретной комиссии здание духовной семинарии. Комиссии была придана воинская команда для охраны и конвоирования заключённых. В состав комиссии включили также духовных лиц и переводчиков с татарского языка. Помимо допросов распространителей слухов и посланий из лагеря пугачёвцев, следователи занялись изучением обстоятельств побега Пугачёва из Казанского острога в мае 1773 года. Были заново пристрастно допрошены все, кто имел дело к следствию и охране самозванца. Большую часть крестьян и городских обывателей следователям пришлось отпустить; слухи множились с каждым днём, и задержать всех, кто передавал их, было невозможно. Однако в январе 1774 года секретная комиссия вынесла первые смертные приговоры части захваченных повстанцев, в частности тем, кто бежал к Пугачёву с военной службы.

В январе 1774 года, после первых военных успехов экспедиции Бибикова, количество пленных стало заметно расти. В связи с затруднениями при этапировании заключённых в Казань, в Самару был отправлен вновь назначенный следователь подпоручик гвардии Г. Р. Державин для проведения следствия на месте. Из-за увеличившегося количества следственных документов следователи не успевали направлять Екатерине все протоколы допросов, как это было заведено в начале работы комиссии. Было принято решение готовить для императрицы лишь экстракты из дел и приговоров. На следственную комиссию была также возложена обязанность распространения манифестов и указов императрицы, увещеваний Священного Синода. После разгрома восставших под Оренбургом и в Яицком городке подпоручику Державину было поручено взять под особый контроль поселения раскольников на Волге, Иргизе и Узенях, где могли укрыться участники восстания. В Казань были привезены первая семья Пугачёва — Софья Пугачёва с тремя детьми, а также игумен Филарет из Мечетной слободы, как возможный его вдохновитель.

В зимнее время и в начале весны пешие этапы пленных повстанцев, многие из которых были ранены, приводили к тому, что число погибших в ходе переходов в десятки раз превышало количество приговорённых к казни. С наступлением периода разлива рек всякие передвижения этапов были полностью прекращены. Принявший командование правительственными войсками после смерти Бибикова генерал Щербатов сообщал, что в переполненных тюремных помещениях Оренбурга содержится более 4 тысяч заключённых и в городе недостаточно продовольствия, чтобы обеспечить их минимальным питанием. 26 апреля 1774 года Екатерина учредила две секретные комиссии — в Казани и Оренбурге, пополнив прежний состав следователей и передав их из-под власти военного командования под контроль генерал-губернаторов Брандта и Рейнсдорпа. Главное внимание было предписано уделить допросам в Оренбурге пленённых ближайших сообщников Пугачёва — Шигаева, Падурова, Каргина, Толкачёва, Хлопуши, Чики-Зарубина. В Оренбург с этой целью отправились Лунин, Маврин и Зряхин.

Пленные повстанцы в Оренбурге, помимо тюремного острога, содержались в Гостином, Меновом и Аманатном дворах, в приспособленных амбарах и даже трактирах. Недостаток медицинской помощи и питания привёл к тому, что к моменту приезда следователей в живых оставалось 2337 заключённых, больше половины из которых были ранены или больны. В мае умерло ещё около 500 пленных, в частности, один из членов Военной коллегии пугачёвцев Витошнов. Проблемы с содержанием большого количества пленных привели к тому, что командиры правительственных отрядов предпочитали пленных не брать вовсе. Так, по донесению генерала Деколонга, после боя 21 мая 1774 года в плен были взяты лишь 70 мятежников, в то время, как среди убитых в бою названы 4 тысячи пугачёвцев. Следователи поспешили с допросами, в Оренбург из Яицкого городка по их приказу была доставлена вторая жена самозванца Устинья Кузнецова. Екатерина II повелела особые усилия приложить к розыску источников так называемых «немецких» указов Пугачёва. В их авторстве сознался подпоручик Михаил Шванвич, после пленения согласившийся служить Пугачёву и бывший одним из секретарей Военной коллегии. После его допросов в послании императрице от 21 мая следователи сообщили, что иностранного участия в восстании они не обнаружили.

В докладе Оренбургской следственной комиссии императрице от 21 мая 1774 года следователи сделали выводы, что Пугачёв «не имеет, кажется, постороннего, а паче чужестранного руководствования и споспешествования, но споспешествовали ему в злодейских его произведениях, во-первых — яицкие казаки, а во-вторых, народное здешнего края невежество, простота и легковерие, при помощи вымышленного обольщения их расколом, вольностию, льготою и всякими выгодами… Что касается до заводских крестьян, то они были всех протчих к самозванцу усерднее, потому что и им от него также вольность обещана, тож и уничтожение всех заводов, кои они ненавидят…». Помимо общего доклада, следователь Маврин отправил своё личное послание императрице, в котором также заявил об отсутствии следов какого-либо вмешательства в ход восстания извне или со стороны заговорщиков из дворян. Доклад комиссии и записка Маврина были приняты Екатериной II во внимание, но она повелела не отклоняться от изначального указания в розыске истинных зачинщиков бунта, включая возможное участие иностранных государств.

В июне Екатерина вновь поменяла порядок работы секретных комиссий и передала их в подчинение генерал-майора Павла Сергеевича Потёмкина. Огромное количество взятых в плен участников восстания вызвало трудности в работе комиссии в плане установления наказаний. Очевидная разная степень вины, а в некоторых случаях и её отсутствие, потребовало выработки единых правил, которые были сформулированы в июле в Тайной экспедиции Сената в Петербурге и направлены в секретные комиссии на местах. Всех преступников, согласно генеральным правилам, следовало распределять по семи градусам вины. Так, к самой тяжкой первой категории должны были быть отнесены добровольные участники восстания, руководившие отрядами мятежников и лично участвовавшие в убийствах, к легчайшей 5-й степени вины — участвовавшие в разглашении слухов и пересказывавшие воззвания самозванца, отдельные 6-я и 7-я категории предназначались, соответственно, для солдат и офицеров правительственных войск, присягнувших самозванцу.

Так как назначенные императрицей следователи не могли справиться с допросами тысяч взятых в плен повстанцев, к следствию привлекали местных чиновников, для которых Павел Потёмкин разработал стандартный список из семи вопросов, включавших выяснение личных мотивов арестанта и обстоятельств присоединения к отрядам восставших, о планах мятежников, а также подробностей о личности и действиях до и во время восстания Емельяна Пугачёва, если арестанту что-либо об этом известно. Интерес Потёмкина к Пугачёву не ограничивался только следствием. Несмотря на неудачный опыт оренбургского генерал-губернатора Рейнсдорпа, отправившего с тайным заданием в лагерь пугачёвцев каторжника Хлопушу, Павел Потёмкин распорядился направить к Пугачёву лазутчиков и диверсантов из числа каторжников, верных правительству башкир, среди них — крещённого перса Мосея Дмитриева с заданием убить самого Пугачёва.