Екатерина провела август в Царском Селе, с волнением следя за погромами, которые устраивал Пугачев в низовьях Волги. К концу месяца она сказала Вольтеру, что ожидает «чего-то решающего», потому что в течение десяти дней у нее не было вестей от Панина, а поскольку «дурные новости разносятся быстрее, чем добрые, я надеюсь, что произошло что-то хорошее». Войска Суворова одержали победу, и армия Пугачева начала терять численность. И все же почти до самого конца Пугачев продолжал внушать страх. 26 июля в Саранске он обедал в доме вдовы губернатора, а затем повесил ее напротив окон ее же комнаты. Дворяне были повешены около дома группами, их головы, руки и ноги были отрублены. 1 августа конный гонец объявил на рыночной площади в Пензе о приближении «Петра III» и о том, что, если его не принять традиционным хлебом и солью, все горожане, включая младенцев, будут вырезаны. Пугачева встретили радушно, двести человек оказались насильно завербованы в его ряды, дом губернатора сожжен, а самого губернатора и еще двадцать мелкопоместных дворян предварительно заперли внутри дома. В другом городе повесили местного астронома, чтобы «он был поближе к звездам».
Попытки Пугачева привлечь своих прежних товарищей – донских казаков – по большей части игнорировались последними. Все знали о награде в двадцать тысяч рублей, объявленной за его поимку, а также о приближении регулярных войск. Кроме того, многим было известно, что Пугачев не являлся Петром III. Когда 21 августа он появился около Царицына (позже – Сталинграда, сейчас этот город носит название Волгоград) и выехал вперед, чтобы побеседовать с донскими атаманами, его тут же узнали и объявили самозванцем. Два дня спустя 24 августа он потерпел новое поражение в Сарепте, к югу от Царицына. Это поражение стало для Пугачева настоящим разгромом. Пугачев бежал с тридцатью своими последователями и переплыл Волгу. Но поражение, страх и голод подточили верность окружавших его людей.
15 сентября 1774 года, через год после начала бунта, Пугачев оказался там же, где и начинал, – в Яицке, на реке Яик. Там группа напуганных последователей, надеявшихся спасти себя предательством, напала на спящего предводителя. «Как посмели вы поднять руку на императора? – закричал он. – Вы ничего не добьетесь!» Но эти слова не тронули их, и Пугачева в цепях доставили к Петру Панину.
30 сентября Панин написал Екатерине, что видел «дьявольское отродье» Пугачева, который больше не пытался выдавать себя за царя. Он упал перед ним на колени, объявив, что он – Емельян Пугачев, и признался, что выдавал себя за Петра III, что он грешен перед Господом и перед Ее Императорским Величеством. Его посадили в железную клетку, в которой он не мог встать в полный рост, а эту клетку закрепили болтами к двухколесной телеге. Так он проехал сотни миль до Москвы через деревни и города, где когда-то его встречали как героя-освободителя.
4 ноября 1774 года Пугачев в клетке прибыл в Москву. Последовали шесть недель допросов. Императрица решила рассеять свои сомнения по поводу бунтовщика: она до сих пор не верила, что безграмотный казак мог сам поднять бунт. Вольтер беспечно предложил спросить у Пугачева: «Государь мой, что вы такое? Господин или слуга? Я не спрашиваю, кто вас нанял, но желаю знать, были ли вы кем-то наняты?» Екатерина хотела большего: если и существовали подобные наниматели, она желала знать их имена. Екатерина внимательно изучала результаты допросов, но, несмотря на свою чрезвычайную заинтересованность, она отказалась использовать дыбу. Перед тем как начались допросы, Екатерина написала князю Волконскому, генерал-губернатору Москвы: «Ради Господа Бога, удержитесь от любых допросов с пристрастием, потому что они всегда затмевают правду». За этим указанием стояло не только ее неприятие этих варварских методов, но и политический расчет. Складывалось впечатление, что бунт изжил себя, однако то же самое ей казалось и перед неожиданной атакой на Казань. Возможно, был еще один лидер, который только и ждал предлога для мятежа. Пытка человека, которому многие крестьяне верили как царю, могла послужить новой искрой. И хотя императрица была заинтригована личностью самозванца и его мотивами, она не желала видеть его. Она запланировала длительный визит в Москву, чтобы отпраздновать победу над Турцией, и ей хотелось, чтобы дела с Пугачевым были закончены до ее приезда. Что касалось иностранного влияния: еще до того, как завершились допросы, Екатерина пришла к выводу, что ничего подобного не было. Вольтеру она писала: «Маркиз де Пугачев жил злодеем и умрет в скором времени подлым трусом. <…> Пугачев ни читать, ни писать не умеет, однако он очень смелый и решительный человек. До сего времени нет ни малейшего признака, чтобы он от какой-то державы был орудием или чтобы поступал по чьему-нибудь внушению. Можно, наверное, утверждать, что Пугачев был самовластным разбойником, никем не правимым. Я думаю, что после Тамерлана не было никого, кто более его бы человеческого рода истребил».