Опасаясь отказа властей, Желябов в конце заявления приписал: «Только трусостью правительства можно было бы объяснить одну виселицу, а не две».
Процесс первомартовцев происходил при открытых дверях, однако в зал судебного заседания допускалась лишь избранная публика.
Подсудимые прекрасно сознавали, что будет представлять собою суд, в состав которого входили шесть сенаторов, два титулованных представителя дворянства, городской голова и волостной старшина. Желябов, протестуя против такого суда, указывал, что судьей между революционной партией и правительством должен быть всенародный суд или по крайней мере суд присяжных заседателей.
Подсудимые облегчили задачу обвинителя: на суде они сами говорили каждый о своем участии в тех действиях, которые были перечислены в обвинительном акте. Они ни в какой степени не заботились о смягчении своей участи. Очень характерно заявление Кибальчича. Его беспокоила мысль не о предстоящей смерти, а о судьбе его проекта воздухоплавательного аппарата, и он заявил суду о передаче им этого проекта защитнику. Известно, что этот проект отмечен как крупное явление в истории русского воздухоплавания.
Кровожадные требования государственного обвинителя были удовлетворены полностью Особым присутствием Сената. Все подсудимые, в том числе несовершеннолетний Рысаков, не достигший 19 лет, были приговорены к смерти. Защита указывала на недопущение законом смертной казни для несовершеннолетних. Суд не согласился с этим. Все обвиняемые были признаны виновными в принадлежности к тайному сообществу русской социал-революционной партии, имевшей целью ниспровержение государственного и общественного строя в Российской империи путем насильственного переворота и в посягательствах на государя и других лиц. Софья Перовская была первой русской женщиной, казненной по политическому делу.
Эта казнь 3 апреля 1881 года стала последней публично исполненной казнью в Петербурге. Для отправки на казнь осужденные были посажены на две «позорные колесницы». На груди осужденных были повешены черные доски с крупной надписью «цареубийца». Руки были связаны за спиной веревками. Вера Фигнер писала: «Руки Перовской были так туго скручены веревкой, что она сказала: «Мне больно, отпустите немного». – «После будет еще больней», – грубо буркнул жандармский офицер».
Вслед за «позорными колесницами» ехали две кареты с пятью священниками в траурных ризах и с крестами в руках. Конные жандармы окружали процессию, которая медленно продвигалась по улицам города к месту казни. Эшафот представлял собою помост в два аршина высотой с тремя позорными столбами и виселицей в виде буквы «П». Это была общая виселица для пяти цареубийц. Позади эшафота находились пять черных деревянных гробов.
Невозмутимое спокойствие отражалось на лице Кибальчича. Желябов казался нервным и часто поворачивал голову в сторону Перовской.
Вскоре после того, как преступники были привязаны к позорным столбам, раздалась военная команда «на караул», после чего градоначальник известил прокурора Судебной палаты, господина Плеве, что все готово к совершению последнего акта земного правосудия.
Чтение краткого приговора продолжалось несколько минут. Все присутствующие обнажили головы. Осужденные почти одновременно подошли к священникам и поцеловали крест, после чего они были отведены палачами, каждый к своей веревке.
Бодрость не покидала Желябова, Перовскую, а особенно Кибальчича. Перед тем как оденут на них саван с капюшоном, Желябов и Михайлов, приблизившись к Перовской, поцелуем простились с нею. Рысаков стоял неподвижно и смотрел на Желябова все время, пока палач надевал на его сотоварищей саван висельников.
Палач Фролов начал с Кибальчича. Одев на него саван и наложив вокруг шеи петлю, он притянул ее крепко, привязав конец веревки к правому столбу виселицы. Потом он приступил к Михайлову, Перовской и Желябову.
Последний по очереди был Рысаков, у него подкосились колени, когда палач быстрым движением накинул на него саван и башлык.
Смерть настигла Кибальчича мгновенно, по крайней мере его тело вскоре повисло без конвульсий.
После казни Кибальчича вторым был казнен Михайлов, он дважды срывался с веревки. При первом падении Михайлов сам поднялся и при помощи палача встал на скамейку. Он сорвался вторично и окончательно был повешен лишь в третий раз.
За ним последовала Перовская. Четвертым был казнен Желябов, последним – Рысаков. Он несколько минут боролся с палачом, не давая столкнуть себя со скамьи.
Трупы казненных висели не более 20 минут. Затем на эшафот были внесены пять черных гробов, которые помощники палача подставили под каждый труп. Военный врач в присутствии двух членов прокуратуры освидетельствовал снятые и положенные в гроб трупы казненных. По освидетельствовании трупов гробы были немедленно накрыты крышками, заколочены и отвезены под сильным конвоем на станцию железной дороги для предания тел казненных земле на Преображенском кладбище.