Екатерине II. И та, получив власть незаконно, решила сделать из дела Салтыковой показательный процесс, который должен был ознаменовать наступившую в России эру законности. У Ильина, кстати, были подряд убиты три жены. Сам он стал непосредственным свидетелем убийства третьей, после чего «впал в исступление»: плакал, кричал и грозил местью лютой помещице. Салтыкову это испугало, и она распорядилась посадить его в свою тюрьму под караул. Он «смирился», покаялся, а получив освобождение, бежал вместе с Мартыновым в Санкт-Петербург, где, прожив несколько месяцев, они сумели все-таки найти выход на императрицу. Прямых улик убийства двух первых жен у следствия не было, а все сомнения толковались в пользу обвиняемой, и эти два эпизода в обвинении не фигурировали.
Следствие продолжалось три года. В архивах канцелярии московского гражданского губернатора, московского полицеймейстера и Сыскного приказа была найдена 21 жалоба салтыковских крепостных, и было выяснено, что над всеми жалобщиками помещица провела или собственный суд, или отдавала суду государственному по обвинению в клевете, и жалобщики отправлялись в Сибирь. После осуждения помещицы несколько крестьян были освобождены с каторжных работ.
Во время обыска в московском доме Салтычихи на Сретенке и в имении в Троицком обнаружили бухгалтерские книги, в которых аккуратная барыня указывала суммы взяток чиновникам. Помимо этого, крестьяне назвали имена тех, кого Салтыкова убила, и дали показания об истязаниях.
Салтыкова была взята под стражу, но ни в чем не признавалась. Разрешения на пытки дворянки государыня не дала, и потому Дарье ими лишь грозили, а как-то в ее присутствии пытали разбойника, обещая, что она будет следующей. Скорее всего, от своих высокопоставленных родственников Дарья узнала, что пытки к ней применены не будут. Пытался вызвать в ней раскаяние священник московской церкви Николая Чудотворца Дмитрий Васильев, проведя с ней целый месяц, но и это оказалось бесполезно.
Весной 1765 года следствие было закончено, и дело передано в департамент правительствующего Сената. Следователь Волков сумел доказать вину Салтыковой в смерти 38 человек, и еще в 26 случаях Салтыкова была «оставлена в подозрении».
Судебное следствие тоже продлилось более трех лет, и в итоге Салтычиху признали «виновной без снисхождения» в тридцати восьми убийствах и пытках дворовых людей. Но приговор сенаторы выносить не стали, переложив бремя принятия решения на Екатерину II.
Для той это было также не простое решение: в течение сентября 1768 года Екатерина несколько раз переписывала приговор, и в архивах сохранилось четыре ее собственноручных наброска вердикта. Но 2 октября 1768 года Екатерина все-таки решилась, и в Сенат был направлен указ, в котором очень подробно расписывалась мера наказания. На полях этого указа, кстати, Екатерина возле слова «она» поставила «он»: императрица хотела сказать, что Салтыкова недостойна называться женщиной.
Салтыкову лишили дворянского звания, запретили пожизненно именоваться родом отца или мужа, а также указывать свое дворянское происхождение и родственные связи с иными дворянскими фамилиями. В течение часа она должна была отбыть «поносительное зрелище», в ходе которого ей предстояло простоять на эшафоте прикованной к столбу с надписью над головой «мучительница и душегубица». А затем остаток жизни Салтыкова должна была провести в подземной тюрьме без света и человеческого общения (свет дозволялся лишь во время приема пищи, а разговор — только с начальником караула или монахиней). Отправились на каторжные работы и сообщники Дарьи: священник села Троицкого Степан Петров, «гайдук» и конюх помещицы.
«Поносительное зрелище» было исполнено на Красной площади 17 октября 1768 года, а затем Дарью отвели в Ивановский монастырь. Там ей уже была приготовлена особая подземная «покаянная» камера с высотой потолков не более трех аршин (то есть 2,1 метра).
Лишь по крупным церковным праздникам Дарью выводили из-под земли к небольшому окошку в стене храма, чтобы она могла послушать литургию. Этот режим продлился 11 лет, после чего Дарья была переведена в каменную пристройку к храму с окном. Прихожане храма могли смотреть в окно и даже разговаривать с узницей. Они передавали через решетку свертки с едой, но Салтычиха в ответ лишь страшно ругалась, плевалась и выбрасывала все обратно.
В Ивановском монастыре Дарья провела тридцать три года и умерла 27 ноября 1801 года. Похоронена она на Донском кладбище в семейной могиле. После ее смерти камера была приспособлена под ризницу. Церковь, увы, до нашего времени не дожила: ее разобрали в 1861 году.