Следствие установило, что преступление совершили члены так называемой Камышинской ОПГ Игорь Попов и Вячеслав Приходько. Попов и Приходько были задержаны в Нефтеюганске через несколько дней после убийства Петухова. Их опознали многочисленные свидетели как двоих мужчин, скрывшихся с места преступления, а до этого, по словам некоторых, будто бы стрелявших в Петухова и его охранника. Показания свидетелей относительно внешности убийц сводились к следующему: лица славянской внешности, в возрасте 20–25 лет, волосы тёмно-русые, рост примерно 170 и 175 сантиметров. Приходько и Попов идеально подходили под свидетельские описания, но их отпустили.
21 сентября 1999 года Попов на допросе сообщил следователю, что летом 1998 года был приглашен в гости к Приходько, который проживал в собственной квартире в городе Пыть-Яхе. Во время беседы за бутылкой водки Приходько рассказал другу о том, что убил мэра Нефтеюганска, подробно описав, как именно совершил преступление. Но вскоре труп подозреваемого Приходько с двумя огнестрельными ранениями был обнаружен недалеко от трассы Нефтеюганск – Тюмень. А в 2001 году неизвестные застрелили Попова на окраине города Камышина Волгоградской области. Уголовное дело было прекращено за смертью подозреваемых.
Выдвигались версии о связи киллеров с руководством ЮКОСа, с бывшим мэром Нефтеюганска, против которого Петухов добился возбуждения уголовного дела, а также с вдовой Петухова, получившей после мужа значительное наследство. Ни одна из них на тот момент не нашла подтверждения.
31 марта 2005 года, на следующий день после вынесения приговора Алексею Владимировичу Пичугину, главе отдела внутренней экономической безопасности ЮКОСа, обвиненного в организации заказных убийств, находившийся под стражей по обвинению в убийстве женщины-москвички Владимир Шапиро написал заявление о том, что за убийством Петухова стоят Пичугин и Леонид Невзлин, а себя представил в роли посредника при передаче денег за совершённое преступление. Аналогичное заявление 11 мая 2005 года сделал и обвиняемый в грабежах в Ростовской области Геннадий Шевцов. После этого Пичугину было предъявлено обвинение в организации убийства Петухова. По версии обвинения, летом 1998 года Пичугин вступил в преступный сговор с акционером и первым заместителем председателя правления нефтяной компании ЮКОС Невзлиным и другими неустановленными лицами из числа руководящих сотрудников ЮКОСа, направленный на лишение жизни Петухова, действия которого по возврату сокрытых налогов и сборов нефтяной компанией ЮКОС в федеральный, региональный и местный бюджеты противоречили их личным и служебным интересам. Пичугин предложил своему знакомому Горину (который позднее был убит) подыскать лиц, готовых за вознаграждение совершить это преступление. Пичугин передал Горину фотографию потерпевшего, адреса его места жительства и работы, вел переговоры о размере материального вознаграждения за убийство в сумме не менее 150 тысяч долларов США и сроках его совершения.
Горин для участия в совершении убийства привлек жителей Волгограда Горитовского и Шапиро. Они, согласившись на участие в преступлении, за денежное вознаграждение склонили к участию в преступлении Евгения Решетникова и Геннадия Цигельника (Шевцова). Им передали в качестве аванса часть денежного вознаграждения – около 1000 долларов, предоставили информацию о жертве, а впоследствии – еще 10 тысяч долларов, переданные Невзлиным и Пичугиным через Горина за исполнение преступления.
Горитовский в июне 1998 года в Волгограде передал Решетникову и Цигельнику (Шевцову) охотничий карабин модели «КО-8,2», патроны к нему и две боевые осколочные оборонительные гранаты Ф-1. Решетников, кроме того, для совершения преступления, изготовил самодельное огнестрельное оружие, представляющее собой модификацию пистолета-пулемета К6–92 «Волк» («Борз»). Отметим, что в 2002 году Горитовский тоже был убит.
В июне 1998 года Цигельник (Шевцов) с Решетниковым на автомашине марки «ВАЗ-2121» прибыли из Волгограда в Нефтеюганск, где длительное время наблюдали за Петуховым. По словам Цигельника, в Нефтеюганске Попов и Приходько следили за волгоградскими киллерами и должны были устранить их после того, как Цигельник и Решетников выполнили бы задание по Петухову.
26 июня 1998 года около 8 часов утра на пешеходной дорожке между перекрестком улиц Нефтяников и Молодёжной Решетников расстрелял направлявшегося на работу Петухова и его охрану. Цигельник (Шевцов), вооруженный для совершения преступления обрезом охотничьего карабина модели «КО-8,2» калибра 8,2 мм и гранатой Ф-1, наблюдал за окружающей обстановкой и при необходимости должен был устранить препятствия при совершении преступления. При этом и Цигельнику, и Решетникову на момент совершения преступления было более 40 лет, и они никак не походили на фотороботы, составленные вскоре после убийства Петухова.