Дня через три после беседы с мальчиками он встретил Женю Чеберяка и спросил, как тот погулял с приятелем. По словам Шаховского, мальчик ответил, что их спугнул на кирпичном заводе какой-то мужчина с черной бородой. Свидетель высказал предположение, что этим человеком мог быть приказчик завода Мендель Бейлис: «Думаю, что в убийстве этом принимал участие этот самый Мендель, а Женька Чеберяк просто заманил в эту усадьбу Андрюшу».
Поскольку следствие уже отчаялось найти преступников, эти показания были восприняты очень серьезно. С точки зрения закона не имелось оснований для заключения Менделя Бейлиса под стражу. Однако Чаплинский попросил начальника Киевской охранки подполковника Н.Н. Кулябко найти какой-нибудь предлог для задержания Бейлиса, и тот распорядился арестовать приказчика как неблагонадежного человека, подлежащего изоляции в связи с предстоявшим прибытием в Киев императора Николая II. В ночь на 22 июля 1911 г. жандармы произвели арест. С этого момента и началось, собственно, «дело Бейлиса».
Менахем-Мендель Тевелев Бейлис не подходил на роль религиозного фанатика. Пожалуй, его арест объяснялся тем, что он был единственным евреем, жившим вблизи пещеры. Бейлис служил приказчиком кирпичного завода, принадлежавшего семье сахарозаводчиков евреев Зайцевых. Он не был искушен в Талмуде и не выполнял элементарных обрядов, например работал в день субботний.
В своих воспоминаниях, написанных с помощью журналистов через несколько лет после процесса, Бейлис припомнил, что подполковник Кулябко велел ему написать все, что он знает об убийстве Ющинского. Когда приказчик отговорился незнанием, начальник охранки прикрикнул: «Это все? Чепуха. Если ты не скажешь правду, я тебя отправлю в Петропавловскую крепость». Бейлис твердил о своей невиновности, а веских доказательств у полиции не было. Фонарщик Шаховской частично отказался от своих показаний. Один из соседей сообщил следователю, что фонарщик оговорил Бейлиса из мести.
Единственным свидетелем, который мог пролить свет на исчезновение Андрея Ющинского, был его приятель Евгений Чеберяк. Семья Чеберяк имела плохую репутацию. Всеми семейными делами заправляла Вера Чеберяк, державшая под каблуком безвольного мужа-телеграфиста. Ее не только беспрекословно слушались дети (сын и две дочери), но и побаивалась вся округа. В квартире Чеберяк был воровской притон, куда свозили краденые вещи.
Чеберяк давно попали в поле зрения следствия. Если приглядеться к показаниям матери и сына на допросах, то можно заметить, что они всегда указывали на лиц, бывших в данный момент на подозрении у полиции. Когда арестовали мать убитого, Чеберяк рассказывала о ее плохом обращении с сыном. Когда заговорили о ритуальном убийстве, она заявила, что уверена в причастности евреев к преступлению. Примеру матери следовал Женя, пытавшийся оговорить дядю убитого, Федора Нежинского.
Поведение Веры Чеберяк казалось подозрительным следственным властям. Ее несколько раз брали под стражу и отпускали. Впрочем, до поры до времени следователь Фененко относился к матери и сыну как к одним из многочисленных знакомых погибшего. Показания фонарщика Шаховского круто меняли ситуацию. Хотя Женя не подтверждал, что виделся со своим приятелем в день его исчезновения, следствие считало, что он скрывал правду из страха перед матерью. Чтобы пресечь вмешательство Веры Чеберяк, ее арестовали в один день с Бейлисом.
Но, изолировав мать, следствие не позаботилось о безопасности детей. В начале августа дети захворали. Женю положили в больницу с признаками дизентерии. Врач больницы говорил: «С каждым днем мальчик заметно слабел, и я видел, что надежды спасти его почти нет». 8 августа Веру Чеберяк выпустили из тюрьмы, и она вопреки уговорам врачей взяла сына домой. Полицейские не спускали с нее глаз. Сыщик Полищук рапортовал, что в бреду Женя произносил: «Андрюша, не кричи!» Сыщик также заметил, что когда мальчик приходил в сознание и пытался что-то сказать, мать закрывала ему рот поцелуем. Вечером Женя скончался, через несколько дней умерла его сестра Валентина.
Внезапная смерть детей горячо обсуждалась в прессе. Почти никто не сомневался, что главных свидетелей отравили. Расхождения были только при определении виновных этой трагедии. «Известно, что за дело взялся Союз русского народа. Стоит ли удивляться, что в результате получилось новое преступление?» — спрашивала либеральная газета. Черносотенцы в свою очередь проводили зловещее сопоставление: стоило арестовать Бейлиса, как потенциальные свидетели против него погибли.
В литературе утвердилось представление, что Вера Чеберяк отравила своих детей в страхе перед разоблачением. Конечно, она явно боялась, что ее сын о чем-то проговорится. Но дети заболели, когда она находилась под стражей, а мальчик был взят домой уже в безнадежном состоянии. Впрочем, гибель двух детей можно назвать внезапной, но никак не загадочной. 10 августа 1911 г. Киевский бактериологический институт провел исследование, не оставлявшее сомнений в смерти Жени от дизентерии.