За расследование террористического акта взялась Московская ЧК. Приступив к розыску террористов, Московская чрезвычайная комиссия предположила вначале, что взрыв в Леонтьевском переулке — дело рук одной из белогвардейских офицерских организаций в качестве мести за разгром "Национального центра" и его военной организации. Однако 2 октября 1919, в поезде около Брянска рабочие-железнодорожники задержали показавшуюся им подозрительной некую Софью Каплан. Задержанная оказалась членом украинской конфедерации анархистов "Набат". Она пробиралась из Москвы на Украину для связи с украинскими анархистами. При ней было обнаружено письмо главаря организации "Набат" Барона, в котором, между прочим, сообщалось: "Теперь Москва начеку, пару дней тому назад местный комитет большевиков взорван бомбой, погибло больше десятка, дело, кажется, подпольных анархистов, с которыми у меня нет ничего общего. У них миллионные суммы. Правит всем человечек, мнивший себя новым Наполеоном". (газета "Известия ВЦИК" от 25 ноября 1919 — № 264).
Ознакомление с письмом Барона дало МЧК новое направление для розыска настоящих виновников террористического акта. Было установлено, что в среде анархистов образовалась группа так называемых "Анархистов подполья", поставившая своей целью организацию террора против руководителей Советской власти. Другая группа анархистов — "легальные анархисты", не принимая активного участия в террористических актах, покрывала своих нелегальных собратьев. Барон и другие лидеры легальных анархистов, арестованные ВЧК, отказались назвать террористов, хотя, несомненно, знали их фамилии и адреса.
Московской чрезвычайной комиссии удалось все же к концу октября 1919, установить ряд конспиративных квартир анархистов. В процессе следствия было установлено, что все крупнейшие ограбления банков и советских учреждений в Москве и Туле, сопровождавшиеся зверскими убийствами, являлись делом рук анархистов и примкнувшей к ним группы левых эсеров. Член ЦК партии левых эсеров Донат Черепанов вместе с лидером "анархистов подполья" Казимиром Ковалевичем создали бандитско-террористическую организацию под громким названием "Всероссийский штаб революционных партизан". Они-то и организовали взрыв в Леонтьевском переулке.
Непосредственные организатор теракта Казимир Ковалевич и бомбометатель Пётр Соболев были убиты при задержании, так как отчаянно отстреливались и бросали бомбы. Ещё семь анархистов совершили самоподрыв дачи на станции Красково, когда поняли, что окружены чекистами. Ещё один, некий Барановский, остался в живых и был арестован. Восемь участников подготовки теракта — Гречаников, Цинципер, Домбровский, Восходов, Николаев, Исаев, Хлебныйский и уже упоминавшийся Барановский — были расстреляны по постановлению МЧК.
Руководитель группировки "Всероссийский повстанческий комитет революционных партизан" Донат Черепанов был арестован Московской ЧК 20 февраля 1920 года. В ходе следствия несколько раз допрашивался лично Дзержинским и членом Коллегии ВЧК Ксенофонтовым. На этих допросах он дал следующие показания: "Я совместно с Казимиром Ковалевичем сорганизовал Всероссийский штаб революционных партизан, который главнейшей целью своей наметил ряд террористических актов. Эта организация и произвела взрыв в Леонтьевском переулке. Подготовка этого взрыва, выработка плана и руководство им до самого последнего момента были возложены на меня. В само же метании бомбы я, по постановлению штаба, участия не принимал. Не будь этого постановления, я бы охотно принял на себя метание бомбы. До того, как остановиться на террористическом акте, этот вопрос дебатировался долго у нас в штабе. Высказывалось несколько мнений по этому поводу. Предлагалось бросить бомбу в Чрезвычайную комиссию, но это предложение было отклонено по следующим соображениям: чрезвычайка и сам гражданин Феликс Эдмундович Дзержинский являются только орудием, слугами партии и, следовательно, во всей политике ответственными являются не чрезвычайки, а партия. Собрание 25 сентября главных ответственных партийных работников в Московском комитете как нельзя лучше могло быть рассматриваемо главнейшим виновником, тем более что на этом собрании предполагалось присутствие гражданина Ленина. Конечно, нужно только сожалеть о том, что жертвами взрыва были не видные партийные работники и никто из более крупных не пострадал. Этот акт, по нашему мнению, должен был революционизировать массы и указать путь, по которому должны идти настоящие революционеры: путь террора и ударов по голове насильников.
На замечание, что при взрыве пострадало много незначительных работников, я укажу, что ваша чрезвычайка в этом отношении не лучше…Об одном я сожалею: при аресте меня схватили сзади, и я не успел пристрелить ваших агентов". ("Красная книга ВЧК" — М.: "Политиздат", 1989. — т. 1. — с. 398–400).