В архивно-следственном деле имеются сведения о том, что Николаев являлся человеком с неуравновешенной психикой и болезненной склонностью к возвеличиванию своей личности. Об этом свидетельствуют его дневники, показания его матери, данные медицинского осмотра при поступлении Николаева на завод «Красный арсенал», объяснения лиц, непосредственно соприкасавшихся с ним после его ареста. В марте 1934 года за отказ от партийной мобилизации на транспорт первичной парторганизацией Николаев был исключен из партии и уволен из Ленинградского института истории ВКП(б), где работал инструктором. Хотя решение первичной парторганизации об исключении Николаева из партии вышестоящими партийными органами утверждено не было и Николаеву лишь объявили выговор, он, как это видно из его писем и дневников, считал, что его несправедливо обрекли на безработицу, опорочили, оттолкнули от партии.
Путем обмана, шантажа, обещаний сохранить жизнь Николаеву и создания ему привилегированных условий содержания под стражей сотрудники НКВД в процессе следствия склонили Николаева к даче ложных показаний о причастности зиновьевской оппозиции к убийству Кирова. Николаев оговорил группу бывших зиновьевцев, арестованных по данному делу. От него добились показаний и о том, что он якобы сам являлся зиновьевцем, входил в подпольную террористическую группу и по ее заданию совершил террористический акт над Кировым. Он дал показания и о преступной связи их группы с латвийским консулом в Ленинграде Бисенексом.
Органы НКВД воспользовались тем, что большинство арестованных участвовали в прошлом в зиновьевской оппозиции. Так, Котолынов, Шатский, Румянцев, Левин, Мясников, Мандельштам, Сосицкий, Ханик, Звездов, Антонов и Толмазов в 1926–1928 годах. были активными зиновьевцами, занимались антипартийной фракционной деятельностью. Котолынов, Румянцев и Толмазов в это время возглавляли оппозицию в ленинградской комсомольской организации.
Используя подобные факты, следствие добилось от арестованных признания в моральной и политической ответственности за террористический акт, совершенный Николаевым как якобы зиновьевцем. От некоторых арестованных были получены противоречивые показания о наличии в Ленинграде и Москве подпольных центров зиновьевской оппозиции.
21 декабря 1934 года по вопросам окончания следствия, организации и проведения судебного процесса Сталин принял наркома НКВД Ягоду, его заместителя Агранова, председателя Военной коллегии Верховного суда СССР В. В. Ульриха, Прокурора СССР И. А. Акулова и его заместителя А. Я. Вышинского. Тогда же Ягода и Агранов представили Сталину проект сообщения в печати о результатах следствия и передаче дела в Прокуратуру СССР для составления обвинительного заключения и направления в суд.
Сталин дважды правил текст проекта сообщения в печати. Вопреки материалам дела, Сталин возложил на центр главную роль в организации террористического акта, написав в сообщении, что убийство Кирова было совершено Николаевым по поручению подпольного террористического Ленинградского центра.
25 декабря 1934 года составленный в соответствии установками Сталина проект обвинительного заключения был представлен в ЦК и в тот же день утвержден Политбюро. Из 23 арестованных, перечисленных в проекте, Сталин отобрал для судебного процесса 14 человек: Л. В. Николаева, И. И. Котолынова, В. В. Румянцева, Н. Н. Шатского, Л. О. Ханика, С. О. Мандельштама, B. C. Левина, Н. П. Мясникова, Л. И. Соситского, А. И. Толмазова, И. Г. Юскина, Г. В. Соколова, В. И. Звездова, Н. С. Антонова.
Суд состоялся 29 декабря 1934 года. Дело рассматривалось с грубейшими нарушениями законности и в упрощенном порядке. Обвинительное заключение не оглашалось, ходатайства обвиняемых в части ознакомления их с материалами следствия и другие законные требования не рассматривались. Николаев допрашивался при отсутствии других подсудимых, ему задавались наводящие вопросы. Подсудимые специально готовились сотрудниками НКВД к тому, какие показания они должны давать в суде. Около Николаева постоянно находились сотрудники НКВД, имевшие отношение к следствию, которые поддерживали у него надежду, что ему будет определена мягкая мера наказания.
В тот же день суд объявил приговор по делу, согласно которому все обвиняемые были приговорены к расстрелу. Почти все они выслушали приговор подавленно, но спокойно. Николаев, по сообщению ряда очевидцев, вскрикнул, что его жестоко обманули, ругал следователя Дмитриева и ударился головой о барьер. Мандельштам негромко сказал: «Да здравствует Советская власть, да здравствует коммунистическая партия», – и пошел вместе с остальными обвиняемыми к выходу.