5 марта 1877 года Московский окружной суд вынес приговор по этому делу. Главные организаторы преступлений были лишены всех прав состояния и сосланы в Сибирь.
Вскоре после процесса Муравьев был назначен прокурором Ярославского окружного суда. Там талантливый прокурор задержался чуть более года. В январе 1879 года он становится товарищем прокурора Санкт-Петербургской судебной палаты. В Петербурге Муравьев сумел быстро завоевать признательность и уважение. Он был смел, инициативен и в те годы еще довольно либерален. В октябре 1880 года Муравьев временно исполнял должность прокурора Санкт-Петербургской судебной палаты.
1881 год, обагренный царской кровью, стал судьбоносным в служебной карьере Н. В. Муравьева. Именно ему талантливому, задиристому, блистательному 30-летнему судебному деятелю было доверено исполнять прокурорские обязанности в Особом присутствии Правительствующего сената по «Делу о злодеянии 1 марта 1881 года, жертвою коего пал в Бозе почивший император Александр Николаевич».
Заседание Особого присутствия Сената по делу «1-го марта» открылось 26 марта 1881 года в 11 часов дня. Председательствующим был назначен Сенатор Е. Я. Фукс. Суду были преданы 6 человек, 5 из них имели адвокатов. Софью Перовскую защищал Кедрин, Николая Кибальчича — Герард, Тимофея Михайлова — Хартулари, Николая Рысакова — Унковский и Геси Гельфман — Герке. Андрей Желябов от адвоката отказался.
Н. В. Муравьев произнес длинную, длившуюся почти пять часов, довольно страстную обвинительную речь. С точки зрения революционных демократов, его речь была «напыщенной» и «вычурненной», наполненной «небылицами». Такие отзывы сделали как сами подсудимые, так и демократические издания. Муравьев не щадил в своем выступлении даже женщин. Софью Перовскую он выставил как олицетворение безнравственности и жестокости, свойственной будто бы всем революционерам. Он говорил, что она с «циничным хладнокровием» распоряжалась «злодеянием». И никакие воспоминания детства здесь уже не имели для него значения. А ведь обвинителю было что вспомнить. Еще мальчиком, в 1856–1859 годах, когда его отец был губернатором в Пскове, а отец Перовской — вице-губернатором, он играл вместе с Софьей, а однажды она вместе со своими братом и сестрой даже вытащила будущего прокурора из глубокого пруда, в котором он чуть было не утонул.
В заключении своей большой речи Муравьев сказал: «С корнем вырвет русский народ адские плевелы из русской земли и тесней, дружней сомкнувшись несчетным рядом благомыслящих граждан, бодро последует за своею несокрушимою, единою священной родиной, за своим ныне вступившим на царство августейшим вождем». Прокурор внес предложение приговорить всех подсудимых к смертной казни.