Следствие по делу Дарьи Салтыковой велось долгих 6 лет. Салтычиха всячески «подмазывала» юристов, раздавая взятки направо и налево, а на светских раутах и балах, куда ее продолжали приглашать, не раз повторяла, что судить ее, во-первых, не за что, так как крепостные — не люди, а во-вторых, невозможно, поскольку она «голубых кровей».
Но, несмотря на многочисленные препоны, создаваемые следствию Салтыковой и ее высокопоставленными покровителями, дело было закончено и передано в суд. Наступил финал кровавой драмы.
Рассмотрев все обстоятельства дела, юстицколлегия вынесла Салтычихе смертный приговор, признав, что «она немалое число людей своих мужска и женска пола бесчеловечно, мучительски убивала до смерти».
Тут же были приведены в действие тайные механизмы, и Сенат в Петербурге принял другое решение — заменить смертную казнь наказанием кнутом и каторжными работами. Покровителей Салтычихи этот приговор также не удовлетворил, и в конце концов точку в деле поставила сама императрица Екатерина II. По ее именному указу Салтычиха была осуждена на один час стояния в центре Москвы у позорного столба и пожизненное заключение.
7 октября 1768 года Салтыкову привезли в холщовом саване на Лобное место, повесили на грудь доску с надписью: «Мучительница и душегубица», дали в руки зажженную свечу и привязали к столбу. По словам очевидцев, посмотреть на Салтычиху, которая в народном сознании давно уже ассоциировалась со сказочными Бабой-ягой и вурдалаком, собрались тысячи людей. Красная площадь была полна народу. Зеваки сидели даже на крышах домов и деревьях. В течение часа, пока Салтычиха стояла у позорного столба, у ее ног палачи били кнутами, клеймили раскаленным железом и вырезали ноздри тем, кто помогал ей в ее зверствах. Под конец «представления» клеймению был подвержен и священник, который по указке Салтыковой отпевал и хоронил замученных ею как умерших естественной смертью.
На следующий день всех подручных Дарьи Салтыковой отправили этапом в сибирский город Нерчинск на вечные каторжные работы, а саму Салтычиху препроводили в Ивановский Московский девичий монастырь и опустили в глубокую темную яму, называемую самими монахинями «покаянная темница». В этой темнице на воде и хлебе садистка провела долгих 11 лет. За эти годы свет она видела, только когда ей приносили пищу: вместе с едой в яму спускали и зажженную свечу.
В 1779 году приговор Салтычихе был смягчен, и ее перевели в кирпичную «клетку» — пристройку к монастырской стене. Пристройка была снабжена зарешеченным окошком. Один из современников рассказывал, как через это окошко Салтычиха плевала на любопытствующих, матерно ругала их и старалась задеть просунутой сквозь прутья решетки палкой. 11-летнее покаяние в яме на нее никоим образом не подействовало, лишь еще больше озлобило.