Содержание доносов, а также сведения, поступавшие к ней, Тайная экспедиция проверяла и дополняла: вызывались и допрашивались свидетели, устраивались очные ставки, составлялись «вопросные пункты». Обвиняемые или свидетели или собственноручно писали показания, или с их слов составлялся протокол допроса чиновниками Тайной экспедиции. Наконец, для проверки сведений, содержавшихся в доносах или в показаниях обвиняемых и свидетелей, чиновники Тайной экспедиции посылались в места, так или иначе связанные с данным процессом. Кроме того, аресты обычно сопровождались обысками, при которых забирались вещественные доказательства в виде записок, писем, документов всякого рода и пр. Широко применявшаяся тогда перлюстрация также часто доставляла Тайной экспедиции важные сведения для производимого ею следствия.
В делах Тайной экспедиции имеются прямые указания на применение пытки к подследственным. Так, например, по приказу Екатерины II в 1762 г. был подвергнут «для изыскания истины с пристрастием под батожьем» Петр Хрущев, а потом и Семен Гурьев.
Не случайно именно Тайная экспедиция и ее московская контора возглавили розыск по делам участников пугачевского восстания, которым они исключительно занимались в течение всего 1774 и большей части 1775 г. Этим же розыском занимались и другие учреждения — губернские канцелярии главным образом районов, охваченных движением, и временные секретные комиссии из гвардейских офицеров, названные Оренбургской и Казанской. В состав комиссий наряду с гвардейскими офицерами входили и чиновники Тайной экспедиции. В этих комиссиях на следственные дела составлялись экстракты, которые направлялись в Сенат, где по ним в Тайной экспедиции выносились решения после получения соответствующих указаний от Екатерины, которая принимала самое деятельное участие в розыске. Приговоры Тайной экспедиции приводились в исполнение секретными комиссиями на месте. Все остальные дела участников восстания, не попавшие по тем или иным причинам в сферу деятельности этих секретных комиссий, рассматривались в обычном порядке в Тайной экспедиции.
Первым по времени, судя по протоколам, было дело лейб-гвардии сержанта Петра Бабаева. Он обвинялся в том, что при взятии Сорочинской крепости войсками восставших публично именовал Пугачева «Величеством Петром Федоровичем... целовал у него руку. А после, смотря на него пристально и по разным сходным с покойным государем Петром приметам, признал его точно за истинного Петра, о чем всюду и всем сказывал и уверял».
Комиссия «всячески старалась извлечь из него признание, увещевала его сама и через священника и, наконец, водила в застенок для устрашения пыткою, но ни тем, ни другим до желаемого сведения он не был доведен, а утвердился на своем показании». Трудно сказать, что побудило старого солдата стоять на своем. Возможно, здесь сказалась огромная вера в справедливого «надежду-государя». По приговору Тайной экспедиции, утвержденному Екатериной Бабаев был наказан кнутом в «четырех местах, в том числе напоследок в Сорочинской крепости, где от него вышесказанное разглашение последовало».
К 1774 г. относится много дел о привлечении к следствию дворовых, ремесленников и другого люда за распространение слухов. В апреле в розыск был взят крестьянин Панкрат Абакумов, говоривший: «...был он на низу, и что Томского полку целая половина пропала, а оставшаяся половина супротивляется».
Тогда же производился розыск по делу Федора Гориянова, дворового человека отставного поручика Усова. На вопрос целовальника, почему у него, Гориянова, сапоги худы, Гориянов убежденно отвечал: «Дай Бог здоровья Петру Федоровичу, а у него сапоги будут». Во время розыска выяснилось, что и другие дворовые часто говорили между собой о Пугачеве, что он подлинно Петр III, что у него много войска, что он скоро будет в Москве и «они все будут за него стоять, и если бы они были отданы в солдаты, то они бы все пошли к нему на службу». Повар Ремесленников добавлял, что Пугачев не только скоро будет в столице, но еще «белопузых дворян всех перерубит». Дворовых людей били плетьми.
В июне 1774 г. в Тайную экспедицию поступил донос от отставного прапорщика Зубова на крестьянина Петра Пономарева, работавшего у него плотником. На вопрос Зубова, почему он в худом кафтане, плотник ответил, что «взять негде, потому что часто с него на казначейские расходы сходится по рублю. Вот уж придет государь, то что-то им будет», — добавил он. На вопрос, какой государь придет, Пономарев отвечал: «Государь наш и новый царь».
Солдаты Нарвского пехотного полка Ларион Казаков и Никита Копнин в мае 1774 г. были осуждены Тайной экспедицией к наказанию шпицрутенами «через полк шесть раз», что фактически означало верную смерть, за намерение бежать из полка к Пугачеву.