В конце августа 1774 года, после поражения у Солениковой ватаги Пугачев с небольшим отрядом казаков бежал к Узеням, не зная, что еще с середины августа Чумаков, Творогов, Федулев и некоторые другие его полковники обсуждали возможность заслужить себе прощение сдачей самозванца. По всей видимости, накануне ареста с Пугачевым оставалось не более ста бунтовщиков, главным образом из яицких казаков. Неудивительно, что в эти дни самозванец порой бывал молчалив и выглядел «весьма унылым», тем более что за последние недели он лишился нескольких ближайших сподвижников. Помимо атамана Андрея Овчинникова, погибшего во время битвы у Солениковой ватаги, в последующие дни отстали от самозванца, а потом и попали в руки к властям такие знатные бунтовщики, как Афанасий Перфильев и Алексей Дубровский.
После двухнедельных скитаний бунтовщики остановились близ рек Большого и Малого Узеней. Ездившие охотиться на сайгаков казаки Иван Бакалкин и Яков Лепехин сообщили, что встретили поблизости стариков, живших в отшельничестве в землянках для спасения души. Пугачев захотел побывать у них, надеясь найти то ли съестное, то ли каких-то беглых старцев. Этой-то поездкой и решили воспользоваться заговорщики: отправились вместе с Пугачевым, а на обратном пути, 8 сентября, на берегу реки Большой Узень (сейчас это территория города Александров Гай Саратовской области) арестовали его. Затем отряд заговорщиков соединился с остатками пугачевского войска. Бунтовщики не стали заступаться за своего предводителя, лишь Василий Коновалов и Сидор Кожевников высказали нежелание идти в Яицкий городок, за что и были арестованы.
После этого Чумаков и Творогов отправились в Яицкий городок, где 11 сентября объявили о пленении самозванца. Получив обещания в помиловании, они известили сообщников, и те 15 сентября доставили Пугачева в Яицкий городок и там сдали офицеру. Состоялись первые допросы, один из них провел лично Суворов, он же вызвался конвоировать самозванца в Симбирск, где была савка главнокомандующего Петра Панина. Пугачева везли в деревянной клетке на двухколесной телеге.
Итак, грандиозный спектакль был окончен. Самозваный «царь» вновь стал тем, кем был на самом деле, — донским казаком Емельяном Пугачевым. В Симбирске в течение пяти дней его допрашивали П.С. Потемкин, начальник секретных следственных комиссий, и граф П.И. Панин, командующий карательными войсками правительства. Там же в Симбирске местному иконописцу были заказаны портреты самозванца, оставившие в истории подлинный облик предводителя восстания.
Екатерина, получив сообщение о поимке Пугачева, делилась с командующим: «Сломав рога Пугачева и его сообщников, мыслей множество вдруг приходит, из которых, во-первых, теперь есть внимания достойны неверность башкирцев, кои ничем на свете не отягощены были, а при всяком случае злодеями объявляются...».
4 ноября 1774 года в девять часов утра Пугачева привезли в Москву. Следствие продлилось до 13 декабря. Помимо предводителя бунтовщиков, было допрошено 70 подследственных; всего же, не считая Пугачева, в Москву в ноябре—декабре было доставлено 85 человек. По окончании следствия последовал суд над Пугачевым и его сподвижниками. Из всех доставленных на следствие в Москву к суду привлекли 56 человек, остальные были освобождены без суда, поскольку выяснилось, что Пугачева они не поддерживали и в восстании не участвовали.
Те же, кому надлежало предстать перед судом, были распределены по «сортам», соответствующим их индивидуальной вине. К первому и второму «сортам» отнесли Афанасия Перфильева, Максима Шигаева, Ивана Зарубина-Чику, Тимофея Подурова, Василия Торнова и Канзафара Усаева. Перфильев, Шигаев, Зарубин, Торнов обвинялись в «тиранствах» и «смертоубивствах». Следующие шесть «сортов» с третьего по восьмой, составляли остальные 33 пугачевских сообщника, а в девятый «сорт» вошли 11 человек, которых следствие признало невиновными.
Пугачева и шестерых бунтовщиков, отнесенных Потемкиным к первому и второму «сортам», приговорили к смертной казни. Пугачева и Перфильева следовало четвертовать в Москве, при этом голову «воткнуть на кол, части тела разнести по четырем частям города и положить на колеса, а после на тех местах сжечь». Зарубину надлежало «отсечь голову в Уфе и взоткнуть ее на кол, а труп сжечь». Максима Шигаева, Тимофея Подурова, Василия Торнова и Канзафара Усаева приговорили к повешению — первых трех в Москве, а последнего в Челябинске.
10 января 1775 года, на Болотной площади в Москве при громадном стечении народа была совершена казнь. Приговоренным к четвертованию Е.И. Пугачеву и А.П. Перфильеву палач отрубил сначала голову. Перед смертью Емельян Иванович поклонился соборам и попрощался с народом, повторяя прерывающимся голосом: «Прости, народ православный; отпусти мне, в чем я согрубил перед тобою». В тот же день повесили М.Г. Шигаева, Т.И. Подурова и В.И. Торнова. И.Н. Зарубин-Чика был отправлен для казни в Уфу, где был казнен отсечением головы в начале февраля 1775 года. Плененного Салавата Юлаева и его отца Юлая Азналина сослали на каторгу в балтийский порт Рогервик (Эстония). Другого руководителя выступления башкир Кинзю Арсланова, бежавшего за Волгу с Пугачевым, так и не нашли, дальнейшая его судьба неизвестна.