Сразу после покушения Каракозова арестовали и заключили в Алексеевский равелин Петропавловской крепости. Следствие по делу возглавлял граф Михаил Муравьев. Сначала террорист отказывался давать показания и утверждал, что крестьянский сын Алексей Петров.
Следствие установило, что преступник проживал в 65 номере в Знаменской гостинице. Обыск в номере принес полиции разорванное письмо Ишутину, которого немедленно арестовали и от которого узнали имя Каракозова.
В ходе процесса в Верховном уголовном суде над членами кружка ишутинцев, в заседании 31 августа 1866 года под председательством князя Павла Гагарина, Дмитрий Каракозов приговорен к смертной казни через повешение.
Дмитрий Владимирович Каракозов повешен 15 сентября 1866 года в возрасте двадцати пяти лет на Васильевском острове в Санкт-Петербурге, при большом стечении народа.
