1 марта 1881 года на Екатерининском канале в Петербурге приговор, вынесенный народовольцами Александру II, был приведен в исполнение: взрывом бомбы, брошенной метальщиком Игнатием Гриневицким, был смертельно ранен император. Через восемь часов, раненный осколками, умер Гриневицкий, еще через час – российский самодержец. Николай Рысаков, бросивший первую бомбу, которая взорвала карету, был схвачен охраной. Начались повальные аресты членов организации «Народная Воля». Николая Кибальчича арестовали при выходе из библиотеки-читальни генерала Комарова 17 марта. Вместе со своими товарищами он предстал перед судом. Его выдали бывшие народовольцы Гирша (Григорий) Гольденберг и Иван Окладский, изменившие своим убеждениям. За несколько дней до ареста Николай Иванович отправил своему вологодскому другу письмо: «Дорогой друг! Податель сего расскажет Вам подробности свершившегося. Боюсь, что мы прожили основной капитал. Тиран казнен, а сил свергнуть систему у нас уже нет. Технику и типографию надобно перевести в Вологду. У вас там хороший народ. Если выживу, займусь ракетным воздухоплавательным аппаратом, о котором говорил с Морозовым. Николай Александрович одобрял меня. Мой девиз таков: “Дорога к звездам начинается в России!”. Передайте привет Астроному. Прощайте и не поминайте лихом! Ваш Н. Кибальчич. 5 марта 1881 года».
Процесс по делу «первомартовцев» был особенным. Охраны в зал суда было согнано гораздо больше, чем присутствующих, и, как заметил один из них, «только артиллерии в зале не было!..» В России впервые судили за цареубийство, ведь все предыдущие убиенные российские монархи пали жертвой дворцовых заговоров. Именно процесс показал, что Кибальчич не идеолог революционного движения, а настоящий большой ученый. По воспоминаниям современников, он был олицетворением простоты, скромности и доброты и менее всего походил на фанатика. Спокойный кабинетный ученый, на удивление легко способный увлечься любой специальной наукой, Кибальчич был мирным социалистом-пропагандистом, и, как это видно из сделанных им на суде заявлений, он, по основным своим воззрениям, остался таковым до последнего момента жизни. Если он примкнул к террору, то лишь потому, что убедился в невозможности иным путем принести пользу своей родине. Когда один из экспертов, генерал Мравинский, заявил, что гремучий студень не мог быть изготовлен в домашних условиях, а привезен из-за границы, судьи оживились. Это авторитетное мнение позволило бы суду распространить масштаб заговора «против особы государя императора» за пределы Российской империи. Но эти надежды лопнули после выступления Николая Ивановича, который заявил: «Я должен возразить против экспертизы о том, что гремучий студень – заграничного приготовления. Он сделан нами». Кибальчич прочел судьям и присутствующим настоящую лекцию о динамите, не забыв ознакомить слушателей с историей вопроса. Очевидцы вспоминают, что «Техник» охотно беседовал с экспертами по взрывчатым веществам, обсуждал конструктивные тонкости детонаторов, задавал вопросы и был глубоко удовлетворен высокой оценкой его мин и гранат (фактически изготовленные им бомбы были прообразом современных гранат).
Председатель суда Э. Я. Фукс напишет впоследствии: «Кибальчич – вот замечательный ум, необыкновенная выдержка, адская энергия и поразительное спокойствие». Но в ходе судебного разбирательства он просто пришел в бешенство, видя восхищение экспертов метательными снарядами «Техника» и выслушивая их сожаления о том, что таких гранат нет на вооружении русской армии. Хорошо еще, что не предоставили слово герою обороны Севастополя в Крымской кампании и русско-турецкой войны генералу Эдуарду Тотлебену, который так отозвался о террористе: «Что бы там ни было, что бы они ни совершили, но таких людей нельзя вешать! А Кибальчича я бы засадил крепко-накрепко до конца его дней, но при этом предоставил бы ему полную возможность работать над своими техническими изобретениями…»
Но ни у кого из обвиняемых не было никаких шансов на сохранение жизни. После гибели императора общество отшатнулось «вправо» и не сочувствовало подсудимым, а новый российский царь Александр III не собирался поддаваться на малочисленные гуманные призывы. Приговор был предрешен, но не это волновало Кибальчича в последние дни жизни. Защитник Николая Ивановича, присяжный поверенный Герард был поражен, когда, придя в камеру, увидел, что его 28-летний подзащитный озабочен не попыткой оправдаться, а целиком поглощен проектом какого-то «воздухоплавательного снаряда» и мечтает лишь о том, чтобы успеть закончить математические расчеты изобретения. Народоволец Л. Г. Дейч, лично знавший ученого, писал: «В другой стране Кибальчич несомненно стал бы выдающимся ученым. Разве не в высшей степени характерно, что даже в тот момент, когда воздвигалась для него виселица, он в последнем слове на суде говорил о чертежах и выкладках, касающихся изобретенного им летательного снаряда. Поистине ужасен тот строй, в котором таких людей возводят на эшафот!»