В Тобольске же комиссия под началом капитана Ушакова и поручика Василия Суворова — отца нашего великого полководца, начала следствие с «пристрастием» и «розыском», другими словами — с пытками. На дыбе князь Иван не выдержал, повинился во всех грехах, рассказал о попытке подделать завещание Петра II в пользу своей сестры и оговорил Долгоруких — своих дядей Сергея и Ивана Григорьевичей, князя Василия Лукича, а также Василия и Михаила Владимировичей. После этого его отвезли в Шлиссельбург, куда доставили и всех оговоренных им родственников. Особенно жестоко посмеялась судьба над Сергеем Григорьевичем: вместо аудиенции у императрицы, где он должен был получить аккредитивные грамоты в качестве посла в Лондоне, он попал в крепость.
В Тобольске же расправлялись с «сообщниками» Долгоруких. Был обезглавлен майор Петров, биты кнутом и разосланы по дальним сибирским городам священники, многие записаны солдатами в сибирские полки.
31 октября 1739 года заседало обычное для политических процессов того времени «генеральное собрание», состоящее из кабинет-министров, сенаторов, первенствующих членов Синода и депутатов от придворного штата, гвардии, генералитета, Военной и Адмиралтейств-коллегий, губернской петербургской канцелярии, Ревизионной, Коммерц— и Юстиц-коллегий. Выслушав «изображение о государственных воровских замыслах Долгоруких, в которых по следствию не токмо отличены, но и сами винились», собрание в тот же день вынесло приговор: князя Ивана Алексеевича колесовать, а затем отсечь голову; князьям Василию Лукичу, Сергею и Ивану Григорьевичам отсечь головы. О Владимировичах было сказано: «Хотя они достойны смерти, но предается об них на высочайшую милость императорского величества». Василий Владимирович остался в заключении в Ивангороде, а его брат Михаил — в Шлиссельбурге.
8 ноября в окрестностях Новгорода состоялась казнь. Вначале отрубили голову Ивану Григорьевичу, затем Сергею Григорьевичу и, наконец, Василию Лукичу. Иван Алексеевич в свой смертный час обнаружил стойкость и силу духа, которых, увы, он был лишен при жизни. «Благодарю Тя, Господи, яко сподобил мя еси познати Тя», — молился он громко на колесе. Палач поторопился закончить казнь, отрубив ему голову. Позже внук князя Ивана, тоже Иван Долгорукий, поэт и писатель начала XIX века, напишет: «Конец столь неожиданный, столь страшный, исполненный стольких страданий, искупил все грехи юности князя Ивана, и его кровь, оросившая новгородскую почву, эту древнюю колыбель русской политической жизни, должна примирить его память со всеми врагами нашего рода».