5 декабря работа следственной комиссии была завершена. Пугачев сознался и выразил надежду на снисхождение, но смертный приговор был неизбежен. Тем не менее Екатерина написала Вольтеру: «Если бы он одну меня бы оскорбил, то мнение его было бы основательно, и я, конечно, бы его простила». Чтобы ускорить процесс и суд, она лично послала генерал-прокурора Вяземского в Москву с поручением побыстрее завершить это дело. После этого она написала губернатору Москвы князю Волконскому. «Прошу вас, помогайте всем внушить умеренность как в числе, так и в казни преступников. Противное человеколюбию моему прискорбно будет. Не должно быть лихим для того, что с варварами дело имеем».
Вяземский старался выполнить ее поручение. Чтобы избежать публичного давления в охваченной жаждой мщения Москве, он собрал специальный суд из высокопоставленных чиновников и членов Священного Синода. Процесс проводился тайно в Кремле 30 и 31 декабря. Пугачева привели в суд на второй день. Он упал на колени, снова признался в том, что он, Емельян Пугачев, сознается в своих преступлениях и заявил, что раскаивается перед Богом и перед милосердной императрицей. Когда его увели, судьи решили, что его нужно живьем четвертовать, а затем обезглавить. Но когда тот же приговор был вынесен одному из его соратников, судьи стали возмущаться – казнь Пугачева должна быть более жестокой и болезненной, чем у остальных. «Поэтому они хотели Пугачева колесовать, – писал Екатерине Вяземский, – чтобы выделить его среди остальных». В конце концов, генеральный прокурор убедил суд оставить приговор как есть. Зная, что императрица не согласится на публичное представление, во время которого Пугачева будут четвертовать живым, Вяземский втайне договорился с начальником полиции Москвы: палач должен был сначала «случайно» обезглавить Пугачева, а лишь потом отрубить ему руки и ноги. Казнь состоялась при большом стечении народа на московской площади 10 января 1775 года. Пугачев перекрестился и положил голову на плаху. Затем к большому возмущению собравшихся, среди которых было много дворян, пришедших насладиться отмщением, палач совершил ошибку и сразу же отрубил Пугачеву голову. Многие решили, что либо палач был недостаточно профессионален, либо его кто-то подкупил. Четверо сторонников Пугачева были сначала четвертованы, и лишь после этого им отрубили головы. Последователи Пугачева, которые предали своего предводителя, были прощены.
Несколько дней спустя после смерти Пугачева Екатерина отправилась в Москву, чтобы отпраздновать победу России над Турцией. В то же время она распорядилась ликвидировать все следы бунта. Обе жены Пугачева и трое его детей были заключены в крепость Кексгольм в русской Финляндии. Дом Пугачева на Дону снесли. Было запрещено произносить его имя, а его брату, не принимавшему участия в восстании, запретили использовать свою фамилию. Яицкие казаки были переименованы в уральских, а Яицк и протекавшая около города река стали называться Уральском и Уралом, соответственно. 17 марта 1775 года императрица объявила амнистию для всех, кто имел отношение к «внутренним мятежам, восстаниям, волнениям и беспорядках, произошедших в 1773 и 1774 годах», постановив, «что все случившееся предается полному забвению и молчанию». Все смертные приговоры заменялись каторжными работами; менее серьезные наказания сводились к ссылке в Сибирь, военные дезертиры и беглые крестьяне были прощены. Петра Панина отблагодарили: ему позволили уйти в отставку и коротать свои дни в Москве в мрачном расположении духа.
В провинции лишь немногие представители дворянства поддерживали Екатерину в выборе наказаний для восставших. Помещики жаждали мести за уничтожение их родных и друзей. Как только армия восстановила порядок, дворяне проявили особую жестокость. Крепостных, которых они считали виновными, предавали смерти без суда. За редким исключением, землевладельцы даже не думали о том, что на кровавый беспредел крестьян толкнули невыносимые условия жизни.
Пугачевщина стала самым крупным из восстаний на территории России. Сто тридцать лет спустя революция 1905 года породила по всей стране забастовки и вспышки насилия в городах. Кровавое воскресенье в Санкт-Петербурге, прибытие мятежного броненосца «Потемкин» в порт Одессы, штурм баррикад в Москве и, наконец, создание Государственной Думы, которой было дано право говорить, но не действовать. Русская революция 1917 года по меркам примененного в ее ходе насилия была всего лишь мирным переворотом, лишившим власти думских министров, пришедших на смену отрекшемуся Николаю II.