Покушение произошло настолько внезапно, что от растерянности и испуга рабочие побежали к заводским воротам с криками: «Ленина убили! Ленина убили!» В этих условиях стрелявшей женщине было легко скрыться в толпе. Но ее все же вскоре задержали. Выбежавший на Серпуховку, по которой в одиночку и группами мчались перепуганные люди, помощник военного комиссара 5-й Московской пехотной дивизии С. Батулин остановился возле трамвайной стрелки. Его внимание привлекла стоявшая около дерева странная женщина с портфелем и зонтиком в руках. По его словам, странность состояла в том, что «она имела вид человека, спасающегося от преследования, запуганного и затравленного». В свидетельских показаниях комиссар указал следующее: «Я спросил эту женщину, зачем она сюда попала. На эти слова она ответила: „А зачем вам это нужно?“ Тогда я, обыскав ее карманы и взяв портфель и зонтик, предложил идти за мной. В дороге я ее спросил, чуя в ней лицо, покушавшееся на тов. Ленина: „Зачем вы стреляли в тов. Ленина?“, на что она ответила: „А зачем вам это нужно знать?“, что меня окончательно убедило в покушении этой женщины на тов. Ленина. Задержанную повели обратно на завод, где возмущенные рабочие едва не учинили над ней самосуд. Она закрыла лицо рукой, но ей сказали: „Нечего закрываться, умела стрелять, умей и людям в лицо смотреть“».
Активисты завода вызвали заводскую машину и доставили задержанную в Замоскворецкий военный комиссариат, где ее тщательно обыскали. В присутствии председателя Московского трибунала А. Дьяконова, комиссара Замоскворечья И. Косиора, комиссаров И. Пиотровского и С. Батулина, а также рабочего-михельсоновца А. Уварова она сделала официальное заявление: «Я — Фанни Ефимовна Каплан. Под этим именем отбывала каторгу в Акатуе. На каторге пробыла 11 лет. Сегодня я стреляла в Ленина. Я стреляла по собственному побуждению. Я считаю его предателем революции. Ни к какой партии не принадлежу, но считаю себя социалисткой». На вопросы о том, сколько раз выстрелила, какой системы ее пистолет, кто ее знакомые, были ли у нее сообщники и каковы ее политические взгляды, она отказалась отвечать. Не пожелала и подписать протокол (он был подписан Батулиным, Пиотровским и Уваровым, как свидетелями). По окончании допроса Каплан отправили на Лубянку в ВЧК.
Первый допрос в ВЧК проводил Нарком юстиции Д. И. Курский. Поздно ночью к нему присоединился член коллегии Комиссариата юстиции Козловский. На этом допросе Каплан держала себя растерянно, находилась в подавленном состоянии, производила впечатление нервно-возбужденного, истеричного человека, говорила несвязно. Свою причастность к партии эсеров и петербургским убийствам Володарского и Урицкого отрицала. Допрос ее (в нем участвовали заместитель председателя ВЧК Я. X. Петерс и заведующий отделом ВЧК Н. Скрипник) продолжался до половины третьего утра. Каплан упорно отказывалась отвечать на вопросы о том, по чьему поручению она выполнила этот акт, какая парторганизация стояла за ее спиной и кто был ее сообщником. Лишь на второй день она объявила, что причисляет себя к эсерам группы В. Чернова. На последующих допросах обвиняемая заявила, что решение о покушении на Ленина она приняла еще в феврале 1918 года в Симферополе, что она отрицательно относится к захвату большевиками власти, стоит за созыв Учредительного собрания (разогнанного большевиками), считает Ленина предателем революции, уверена, что его действия «удаляют идею социализма на десятки лет». Однако все это были только слова, а вот с доказательствами, как выяснится позднее, у следствия было туговато.
Прежде всего, следует упомянуть о неразберихе с орудием преступления. 2 сентября рабочий А. В. Кузнецов принес в ВЧК якобы найденный им «тот» револьвер. В нем не хватало трех патронов. Через год в ВЧК поступил донос на сотрудницу этой организации Зинаиду Легонькую. В нем говорилось о том, что это именно она стреляла в Ленина. Действительно, Легонькая после покушения была возле завода Михельсона. Она же участвовала в обыске Каплан. Но ведь оружия тогда не нашли! А теперь после обыска на квартире Легонькой нашли. Объяснение, которое она дала, представляется довольно диким для сотрудницы ВЧК. Легонькая заявила, что нашла браунинг в портфеле Каплан и решила оставить себе на память, как сувенир. Трудно себе представить, что должны были с ней тогда сделать за это. Действительно трудно: ее… отпустили.
1 сентября 1918 года «Известия ВЦИК» сообщили: «Из предварительного следствия выяснено, что арестованная, которая стреляла в товарища Ленина, состоит членом партии правых социалистов-революционеров черновской группы. Она упорно отказывается давать сведения о своих соучастниках и скрывает, откуда получила найденные у нее деньги… Из показаний свидетелей видно, что в покушении участвовала целая группа лиц, так как в момент, когда тов. Ленин подходил к автомобилю, он был задержан под видом разговоров несколькими лицами. При выходе был устроен затор публики. Принимаются все меры к выяснению всех обстоятельств дела. Задержано несколько человек». Действительно по делу о покушении были арестованы и доставлены в ВЧК для допроса 14 человек. Всех их затем оправдали и освободили.
В следственном деле есть показания 17 свидетелей. Однако ни один из них категорически не смог утверждать, что в Ленина стреляла Каплан. Хотя все они заявляли, что стреляла женщина. Но ведь первый вопрос, который задал после покушения Владимир Ильич своему водителю, был таким: «Его поймали?» Возможно, он видел, что в него стрелял мужчина? Как ни странно, но никто из свидетелей не запомнил и лица преступницы или преступника…
После первых допросов на Каплан перестали смотреть как на организатора покушения. Это вытекало из содержания вопросов, которые ей задавали. Однако ее упрямо выставляли террористкой-одиночкой. Вполне возможно, что она не стреляла, но также возможно, что она действительно участвовала в этом деле. Только роль ее была иной. Скорее всего Каплан должна была отслеживать перемещения Ленина в тот день, чтобы знать наверняка, будет ли выступать он на митинге, и передать сообщение исполнителям. По собственным показаниям Фанни, она приехала «на митинг часов в восемь». Именно тогда многочисленные свидетели и видели эту странную, а потому легко запоминающуюся женщину. Но кто же являлся организатором теракта? Следствие на этот вопрос ответа не дало. 31 августа был проведен последний допрос Каплан на Лубянке.
Утром 3 сентября на Лубянку явился комендант Кремля П. Мальков с предписанием перевести Ф. Каплан в полуподвальную комнату Кремля, тщательно охраняемую латышскими стрелками. А через несколько часов секретарь ВЦИК Аванесов вручил Малькову постановление ВЧК о расстреле Каплан и сказал ему, что это нужно сделать немедленно. Было принято решение произвести расстрел в тупике двора Автоброневого отряда. Приговор привели в исполнение в четыре часа дня 3 сентября 1918 года. Но после этого встал вопрос о том, что делать с телом расстрелянной? За ответом на него обратились к Я. Свердлову. Мальков вспоминал: «Яков Михайлович медленно поднялся и, тяжело опустив руки на стол, будто придавив что-то, чуть поддавшись вперед, жестко, раздельно произнес: „Хоронить Каплан не будем. Останки уничтожить без следа“». Во исполнение этого приказа тело террористки было облито бензином и сожжено в железной бочке в Александровском саду. Как утверждает Мальков, свидетелем этого стал известный поэт Демьян Бедный, который жил как раз над Автоброневым отрядом. Он прибежал по черной лестнице на шум моторов нескольких грузовиков и сразу понял, что происходит.
Столь быстрое развитие событий и внешняя простота дела породили мощный всплеск возмущения среди рабочих. По сути, настоящего расследования преступления не было. Главной вещественной уликой его стал пистолет, признанный после коллективного осмотра чекистами орудием покушения. Его принес один из рабочих, присутствовавших на митинге, после того как прочитал объявление ЧК о розыске оружия, из которого стреляли в Ленина. Ни дактилоскопической, ни баллистической экспертизы пистолета не проводилось: столь скоротечному следствию и так все представлялось предельно ясным. В протоколах допросов часто фигурировали такие фразы, как «кто-то сказал», «крикнули», но никаких попыток установить этих лиц не было. Опрос присутствовавших на митинге не проводился. Похоже, что следствие вполне устраивало признание Ф. Каплан в том, что она действовала одна.
Впоследствии даже Я. X. Петерс говорил, что история этого покушения на В. И. Ленина была довольно темной. Член ВЦИК В. Э. Кингисепп, возглавлявший следствие, жаловался на то, что ему мешают работать: необходимые документы поступали с большим опозданием, следственный эксперимент во дворе завода Михельсона проводили сами чекисты, изображая Ленина и Каплан, неизвестно для чего «на помощь следствию» из Екатеринбурга прибыл палач царской семьи Я. Юровский с помощниками. Впоследствии из «дела Каплан» будут кем-то вырезаны несколько страниц. Особенно много вопросов связано с пистолетом, из которого якобы стреляли в Ильича. Специалистов удивило несоответствие меток от пуль на пальто вождя с местами его ранения. Когда же сравнили пули, извлеченные при операции в 1922 году и при бальзамировании тела Ленина в 1924 году, выяснилось, что они не из одного пистолета.
