В конце первой половины мая пришел черед для допросов конфидентов Волынского. Их роль была невелика — они, зная суровый нрав Артемия Петровича, по его приглашению приезжали в ночные часы для обсуждения проектов, составленных кабинет-министром. Раздавались комплименты в адрес прожектера и проектов, превозносились таланты Артемия Петровича, что еще более разжигало его честолюбивые мечты прослыть великим реформатором. Полностью сохранился в первозданном виде самый важный проект, составленный Волынским по заданию самой императрицы, под претенциозным названием: «Генеральное рассуждение о поправлении внутренних государственных дел». Его шесть частей охватывают важнейшие сферы жизни общества: 1) об укреплении границ и об армии; 2) о церковных чинах; 3) о шляхетстве; 4) о купечестве; 5) о правосудии; 6) об экономии.
21 мая Комиссия информировала императрицу о ходе следствия, и та, уязвленная оскорблениями Волынского в свой адрес, изволила рассуждать, что «Волынский в злодейственных своих сочинениях, рассуждениях и злоумышленных делах явно виновен явился и, сверх того, с явною злобою высочайшую ее величества особу и правительство злыми и вредительными своими словами дерзнул оскорблять, и многих о том злодейски разглашал, и хотя в прочих дальних своих злодейских замыслах к народному возмущению и государственному повреждению закрывает себя, но как по самым его ответам и по обстоятельству дела в том не только приличен явился, но и конфиденты его о том показывают… то розыскивать его».
Начался новый этап следствия — Волынского стали пытать в Тайной канцелярии, причем в первую же пытку, состоявшуюся 22 мая, ему дали восемь ударов, подвергли получасовому истязанию, повредили руку, так что он не смог в дальнейшем подписывать показаний, но пытаемый решительно отвергал обвинение в умысле «быть чрез возмущение государем». Даже Кубанец, как ни напрягал память, мог только привести якобы сказанные Волынским слова: «Ой, система, система! Я смотрю все на систему нашу!» — и хвалил порядки в Польше: «Вот как польские сенаторы живут; ни на что не смотрят, и им все даром. Нет! Польскому шляхтичу не смеет ни сам король ничего сделать, а у нас всего бойся!»
Императрица согласилась с представлением Тайной канцелярии подвергнуть еще одной пытке Волынского (18 ударов) и некоторых из его конфидентов (престарелому и больному Мусину-Пушкину было дано 14 ударов), но желаемых результатов она не дала: Волынский признавал все обвинения за исключением стремления насильственно овладеть троном, а остальные назвали себя его конфидентами, но были единодушны в утверждении, что ничего не знают о замысле совершить переворот.
Даже злобная и жестокая Анна Иоанновна убедилась в бесполезности продолжать розыск и 6 июня велела «более розысков не производить, но из того, что открыто, сделать обстоятельное изображение и доложить». 17 июня повеление было выполнено, и Ушаков с Неплюевым представили «обстоятельное изображение» вины Волынского: он обвинялся в составлении плутовского письма и обеспокоил государыню «в самонужнейше военное время; нарушил безопасность государственных палат избиением Тредиаковского; питал злобу на императрицу; сочинял разные „злодейские рассуждения“, осуждавшие прошлое и настоящее правление, хотел поселить раздор в правящей фамилии» и т. д.
19 июня императрица утвердила состав суда. Он был многочисленным и представительным: помимо всех сенаторов в него включили 15 фамилий вельмож, представителей гвардии, Военной, Адмиралтейской и Юстиц-коллегий. Стоит заметить, что в составе суда, как и в составе следственной комиссии, не было ни одного иностранца: правившие страной немцы предоставили честь расправы с соотечественниками русским, а сами остались в тени.
Приговор был объявлен 20 июня: Волынского посадить на кол, предварительно вырезав язык; Хрущова, Мусина-Пушкина, Соймонова и Еропкина четвертовать и отсечь им головы. Затем императрица смягчила приговор: Волынскому вместо самой мучительной казни (посадить на кол) отсечь правую руку и голову четвертовать, а детей сослать в Сибирь — дочерей в монастыри, а сына тоже содержать в Сибири до 15-летнего возраста, а затем определить вечно в солдаты на Камчатку; Соймонова и Эйхлера, бив кнутом, сослать в Сибирь, а Мусина-Пушкина, вырезав язык, — в Соловецкий монастырь.
Казнь состоялась 27 июня на Петербургской стороне, на Сытном дворе.