Императрица негласно контролировала суд над Пугачевым и его соратниками. Ее доверенным лицом в судейском составе был генерал-прокурор Сената А. А. Вяземский — человек, глубоко преданный государыне и готовый исполнить ее любую волю. Перед отъездом Вяземского в Москву императрица подробно проинструктировала его на предмет возможных действий в ходе рассмотрения дела, и с момента прибытия в столицу Вяземский держал Екатерину II в курсе всех событий, возникавших в рамках осуществления правосудия.
В письме к Волконскому, также состоявшему в судебной коллегии, императрица дала последний наказ быть милосердным к подсудимым: «Пожалуй, помогайте всем внушить умеренность как в числе, так и в казни преступников. Противное человеколюбию моему прискорбно будет. Недолжно быть лихим для того, что с варварами дело имеем». Такой подход должен был в глазах общественности и зарубежного мира выгодно подчеркнуть ее великодушие и снисходительность к судьбам государственных преступников.
30 декабря 1774 года (10 января 1775 года) в Кремлевском дворце состоялось первое судебное заседание по делу Пугачева. Судьям были зачитаны выдержки из материалов дела, содержащих описание преступных деяний подсудимых. Затем из состава судей были делегированы представители в две комиссии. Одна из них вечером того же дня провела опрос подсудимых в тюремных помещениях, а вторая приступила к подготовке приговора — сентенции. На следующий день коллегия судей заслушала доклад комиссии, проводившей накануне вечером опрос подсудимых. Докладная записка подтвердила, что никто из подсудимых не оспаривал данные в ходе следствия показания и дополнительно ничего не желал сообщить.
После приобщения докладной записки к материалам дела перед судом предстал главный злодей. Пугачева ввели в зал и поставили на колени. Ему задавались вопросы, чтобы публично закрепить собранные о нем сведения:
«Ты ли Зимовейской станицы беглой донской казак Емелька Пугачёв? Ты ли по побеге с Дону, шатаясь по разным местам, был на Яике и сначала подговаривал яицких казаков к побегу на Кубань, потом называл себя покойным государем Петром Фёдоровичем? Ты ли содержался в Казани в остроге? Ты ли, ушед с Казани, принял публично имя покойного государя Петра Третьего, собрал шайку подобных злодеев, с оною осаждал Оренбург, выжег Казань и делал разные государственные разорения, сражался с верными ея императорского величества войсками и, наконец, артелью твоей связан и отдан правосудию ея величества, так как в допросе твоём обо всём обстоятельно от тебя показано? Имеешь ли чистосердечное раскаяние во всех содеянных тобою преступлениях?»
На все вопросы судьи услышали утвердительные ответы, а при ответе на последний вопрос Пугачев ожидаемо для всех раскаялся в совершенных преступлениях.
Оживленную дискуссию среди судей вызвало распределение подсудимых по «сортам» в зависимости от тяжести их вины. Первоначально такой жестокий способ наказания, как четвертование, планировалось применить только к Пугачеву. Однако некоторые из судей посчитали наказание путем отсечения головы слишком легким для одного из пугачевских сподвижников, яицкого казака А. П. Перфильева. Назначение же четвертования Перфильеву открыло вопрос об изменении наказания самому Пугачеву, как «в высшей степени повинному» в совершенных преступлениях. Стремясь выделить Пугачева из массы других преступников, судьи предлагали для него еще более страшную казнь — колесование. Компромисс все-таки удалось найти: судьи сошлись на том, чтобы не менять Пугачеву меру наказания, но после четвертования останки надлежало положить на колесах и сжечь.
К 3 (14) января 1775 года комиссия из сенаторов Д. В. Волкова и И. И. Козлова, а также руководителя следствия, Потемкина, подготовила решительную сентенцию (приговор). Пугачев и его сподвижники признавались виновными в совершении многочисленных преступлений, в том числе, среди прочего, намерении завладеть государством, государем быть, в участии словом или делом в бунте, сожжении города, села, деревни или церкви. При назначении наказания суд показательно сделал попытку учесть наказ императрицы о соблюдении норм гуманности: приговор был вынесен, «сообразуяся беспримерному ее императорского величества милосердию, зная ее сострадательное и человеколюбивое сердце, и наконец рассуждая, что закон и долг требуют правосудия, а не мщения, нигде по христианскому закону несовместного».