17 мая 1764 г. на Салтычиху завели уголовное дело. Целый год два следователя работали в Троицком и на Сретенке. Из тайников Сыскного приказа были подняты жалобы и показания крестьян. Они стали приговором для многих чиновников-мздоимцев. Екатерина II не жалела ни сил, ни средств для полного расследования дела. Для нее это было важно по многим причинам. Дело Салтычихи было хорошим поводом для проведения кадровых чисток и перестановок в полиции и государственном аппарате в целом. На этой волне можно было провести ряд прогрессивных реформ и преобразований, одновременно продемонстрировав миру лучшие качества новой императрицы. Была и еще одна причина, лежавшая на поверхности. Нетрудно представить, как относилась патриархальная Москва к новой столице, к ее западным нововведениям, идеям, да и всем жителям Петербурга. Дело Салтычихи дало законный повод заменить «старую гвардию» на лояльных управленцев. Одновременно Екатерина II завоевала симпатии москвичей, показав на деле способность бороться с мздоимством, жестокостью, рутиной. Матушка-царица проявила заботу о народе и его правах.
Следствие длилось 6 лет. Салтычиха была признана виновной и приговорена к смертной казни. Все чиновники-мздоимцы, покрывавшие убийцу, были лишены званий, имущества и отправлены в ссылку. Сообщники Салтычихи – крестьяне, дворовые люди и «поп» – по приговору юстиц-коллегии были наказаны кнутом с вырезанием ноздрей и сосланы в Нерчинск на вечные каторжные работы.
2 октября 1768 г. Екатерина II утвердила окончательный приговор Салтычихе:
«1. Лишить ее дворянского звания и запретить во всей нашей империи, чтоб она никогда никем не была именована названием рода ни отца своего, ни мужа.
2. Приказать в Москве вывести ее на площадь и приковать к столбу и прицепить на шею лист с надписью большими словами: «Мучительница и душегубица».
3. Когда выстоит час она на сем поносительном зрелище, то, заключена в железы, отвести в один из женских монастырей, находящийся в Белом или Земляном городе, и там подле которой ни есть церкви посадить в нарочно сделанную подземную тюрьму, в которой посмерть ее содержать таким образом, чтобы она ниоткуда в ней света не имела».
После гражданской казни Салтычиху заключили в подземную тюрьму Соборной церкви Ивановского девичьего монастыря. Здесь она просидела до 1779 г., а затем до самой смерти – в застенке, пристроенном к стене храма. Всего в заключении Салтычиха прожила 33 года и ни разу не обнаружила ни тени раскаяния.