Начатое следствие показало, что доносы крепостных Салтычихи — не выдумки. Как сообщили крестьяне соседних владений и священники, они не раз слышали, что Салтычиха «людей своих бьет и мучит», и крепостные Салтычихи «летом из села Троицкого везли чрез их деревню мертвое тело девки, причем сопровождавшие рассказывали, что девка та убита помещицею, и они видели на теле ее с рук и с ног кожа и с головы волосы сошли». Соседские крестьяне видели как раз то, что происходило регулярно: Салтычиха убивала людей или на своем московском дворе, или в Троицком, своей главной усадьбе, и затем отсылала мертвое тело для похорон в одну из своих глухих деревень. Следователи выяснили, что упомянутую выше убитую девку звали Фекла Герасимова и она «за нечистоту в мытье платья и полов была сечена, по приказу помещицы, розгами». Потом ее заставили вновь мыть полы, хотя «от сечения уже и ходить на ногах не могла, но помещица била ее еще скалкою… После побой тех Герасимова находилась чуть жива: и волосы были у нее выдраны, и голова проломлена, и спина сгнила».

Скалка, полено, палка, раскаленные щипцы, кнут, крутой кипяток были главными орудиями пытки и убийства дворовых. Судя по материалам следствия, Салтычиха проявляла все черты маньяка-мучителя, страшно распаляясь при виде беззащитной жертвы и крови. При этом Салтычиха заставляла родственников своих жертв пытать несчастных. Дворовый Сергей Леонтьев показал на следствии, как был убит его товарищ крестьянин Хрисанф Андреев. «Помещица, — говорил он, — била Андреева сама езжалым кнутом якобы за несмотрение его за бабами и девками в мытье полов, а потом, призвав дядю его, гайдука Федота Михайлова Богомолова, приказала того Хрисанфа бить тем же кнутом нагова, и он, гайдук, его бил, и от тех побой тот человек и на ногах стоять не мог и, подняв его, оный гайдук отдал под караул… И тот Хрисанф всю ночь стоял на морозе, а после того введен он был в палаты, и она, Салтыкова, втайне у себя сама еще била его палкою и при том велела ему (Леонтьеву) принести разженные припекальные щипцы, кои он, Леонтьев, и принес, и она, Салтыкова, теми разженными щипцами сама брала Хрисанфа за уши и лила горячую воду ему на голову и на лицо из чайника и еще палкою била, и как упал, то и пинками била, от которого бою он чуть жив…», после чего Хрисанф умер. Дядя отвез изуродованное тело племянника в Троицкое, причем Салтычиха приказала, чтобы тело это он «схоронил в лесу или хотя в воду бросил». Дядя так и сделал — позже Хрисанфа нашли местные крестьяне в сугробе, всего исклеванного птицами.

Для гайдука Богомолова убийства людей по указу госпожи стали привычны. В 1759 году, во время поездки Салтычихи на богомолье в Киев, она заехала в одно из своих сел и там убила (опять за скверное мытье полов) девку Марью Петрову. После того как госпожа вконец изнемогла, кнут взял гайдук Богомолов и, по приказу Салтычихи, стал избивать девушку и «после побои… гонял ту девку тем же кнутом в пруд (дело было ранней весной. — Е. А.), которая, быв в пруде по горло, из того пруда выгнана и потом паки заставляли мыть пол, но от таких побои и мученья [она] мыть уже не могла, и тогда она, помещица, била ту девку палкою, а оной гайдук бил [ту девку] с нею по переменам за то, будто б она ругается и пол мыть не хочет, и от тех побои та девка Марья в тех же хоромах того ж дня в вечеру умерла, и из хором тот гайдук мертвое тело оной девки вытащил в сени», а потом закопал в лесу. Дворовый человек Лукьян Михеев был убит собственноручно Салтыковой, которая разбила своему рабу голову, многократно ударяя ею о стенку. При вскрытии тела дворовой Григорьевой было установлено, что «по всей спине и по обоим бокам кожа и мясо до самых внутренностей согнило», дворовая Аграфена Агафонова была так избита палками, что у нее переломаны руки и ноги. При пытках Акулины Максимовой помещица приказала «принести пук лучины, и взяв сама оную лучину и на свечке зажгла и тем огнем у той жонки волосы сожгла». Свидетели показали, что когда забитую до смерти крестьянку Прасковью Ларионову повезли хоронить в Троицкое (дело было зимой), то на труп бросили ее грудного ребенка, который, не доезжая до Троицкого, замерз на теле матери. Общий список замученных составил семьдесят пять человек, в том числе и двенадцатилетняя девочка, не говоря уже об этом несчастном младенце.

Примечательной чертой следствия было полное и безусловное отпирательство преступницы. Несмотря на неопровержимые улики, Салтычиха привычно отвечала: «И те женки и девки живы ль или померли — она не ведает, а хотя, может быть, и померли, но по воле Божией, а она, Салтыкова, их никогда не бивала и людям своим бить не приказывала, и от побои они не умирали». Столкнувшись с таким упорным отрицанием, следователи решили попугать Салтычиху пыткой. Она «привезена была в Розыскную экспедицию за караулом и сведена была в застенок и в чинимых ею людям своих мучительствах и от того смертных убивствах, Юстиц-коллегии присутствующими, что на нее показано и какие на то есть доказательства довольно увещевана же, после чего, по непризнанию ее ни в чем, показана ей очевидно жестокость розыска над приговоренным к тому преступником и посему паки чинено же ей было увещевание». Но и демонстрация пытки не помогла — Салтычиха отрицала как убийства, так и другие свои преступления. Отправить на дыбу дворянку власти не решились — Салтычиха приходилась внучкой известному деятелю Петровской эпохи Автомону Иванову.

Попутно, кроме убийств, изуверства и взяток, выяснилось немало и других преступлений Салтычихи. Оказалась, что она решила отомстить своему неверному любовнику капитану Николаю Тютчеву, который решил жениться на девице Панютиной. Салтычиха, решив уничтожить Тютчева вместе с его невестою, приказала дворовым купить порох и сделать бомбу и ею взорвать дом, в котором остановились Тютчев и Панютина. Несмотря на понукания и побои, дворовые так и не решились совершить это преступление, за что были жестоко наказаны. После этого она приказала подстеречь жениха и невесту на дороге и «разбить и убить до смерти», что, к счастью для влюбленных, рабам Салтычихи осуществить не удалось.

Дело тянулось до 1768 года. Следственная комиссия после долгой работы была вынуждена признать, что зверства Салтыковой стали причиной гибели «если не всех ста человек, объявленных доносителями, то, несомненно, пятидесяти человек». Екатерина II вынесла приговор, в котором говорилось: «Указ нашему Сенату. Рассмотрев поданный нам от Сената доклад о уголовных делах известной бесчеловечной вдовы Дарьи Николаевой дочери, нашли мы, что сей урод рода человеческого не мог воспричинствовать в столь разные времена и такого великого числа душегубства над своими собственными слугами обоего пола одним первым движением ярости, свойственной развращенным сердцам, но надлежит полагать… что она особливо пред многими другими убийцами в свете имеет душу совершенно богоотступную и крайне мучительскую». Констатация этого исходного факта позволила вынести приговор: «Лишить ее дворянскаго названия и запретить во всей нашей империи, чтоб она ни от кого никогда, ни в судебных местах и ни по каким делам впредь так как и ныне в сем нашем указе именована не была названием рода ни отца своего, ни мужа… Приказать в Москве… в нарочно к тому назначенный и во всем городе обнародованный день вывести ее на первую площадь и, поставя на эшафот, прочесть пред всем народом… сентенцию (приговор. — Е. А.) сего нашего указа, а потом приковать ее стоячую на том же эшафоте к столбу и прицепить на шею лист с надписью большими буквами: „Мучительница и душегубица“».