מנגד, באופן יוצא דופן הדפיס "דבר" גיליון במוצאי שבת, 17 ביוני 1933, 23 שעות לאחר הרצח. בעמוד השער קרא עורך העיתון, ברל כצנלסון, להתאפקות ולסובלנות על אף ההלם, הכאב והכעס. האופן השקול שבו התייחס כצנלסון אל הרצח שיקף את אישיותו הייחודית, את סגנון עריכתו הסולידי ואת סגולת מנהיגותו השקטה, אולם גם הוא נעשה בהדרגה תקיף יותר במאמריו כלפי בכירי התנועה הרוויזיוניסטית. בכירי מפא"י האשימו ותקפו ביתר שאת את התנועה הרוויזיוניסטית בכלל ואת ז'בוטינסקי בפרט. לאחר הרצח האשים בפומבי ברל לוקר, בכיר בסוכנות היהודית, את הרוויזיוניסטיים בהסתה לרצח: "קראו את העיתונים הרוויזיוניסטיים בכל השנים האלה. במיוחד את חזית העם המתועב. את הנאומים המרעילים שנאמרו נגד הפועלים ומנהיגיהם, השיסוי והוצאת הדיבה על הפועלים שמתכננים קנוניה עם הערבים כדי לעשות פוגרום ביהודים. ייזכר לכם מה שאמר ז'בוטינסקי, זה לא כבר, שארלוזורוב תומך בהיטלר ושהפועלים לא יימנעו מלמסור ילדי ישראל להיטלר".
חקירה.
הרצח עורר זעזוע עצום ביישוב, בגלל אישיותו הבכירה של הנרצח. החשד העיקרי נפל על אנשי התנועה הרוויזיוניסטית, שאיבתם לארלוזורוב והביקורת החריפה נגדו בעיתונם היו טריים עדיין בדעת הקהל.
תוך זמן לא רב נעצרו מספר חשודים בקשר לרצח ביניהם היו אנשי התנועה הרוויזיוניסטית: אברהם סטבסקי, צבי רוזנבלט, יהודה מינץ, ואב"א אחימאיר, איש רוח ופובליציסט רוויזיוניסטי, שייסד תנועה שנקראה "ברית הבריונים". בנוסף לאלו נעצרו אף חשודים ערבים וקומוניסטים. סטבסקי היה שכנו לחדר של אחימאיר, ורוזנבלט היה בית"רי מפלוגת כפר סבא. החשד העיקרי נפל על סטבסקי ורוזנבלט, אף על פי שלשניהם היה אליבי בדמות עדים שראו אותם בירושלים ביום שישי בערב, הערב בו נרצח ארלוזורוב. אולם לפני החוקרים הגיעה גם רבקה חזן והעידה עדות שקר שראתה את סטבסקי בתל אביב באותו ערב. סימה ארלוזורוב, מלווה בקצין הבריטי ארנסט סטפורד, זיהתה במסדר זיהוי את שני החשודים ברצח בעלה.
ראלף בודילי נתמנה לשופט חוקר שליווה את החקירה. החקירה המוקדמת החלה ב-20 ביולי 1933. ב-32 הישיבות הבאות נחקרו כל העדים בזה אחר זה. הישיבות נערכו כאחת לשבוע. בין העדים שהופיעו בפני השופט בודילי היו סימה ארלוזורוב אלמנת הנרצח, הארי רייס, ראש הבולשת הבריטית, שגבה בליל הרצח את הודעתה של סימה בה מסרה לו את תיאור המתנקשים, גששים שבדקו את זירת הרצח, קצין המשטרה ארנסט סטפורד שליווה את סימה במסדרי הזיהוי של סטבסקי ורוזנבלט, והחשודים עצמם - סטבסקי, רוזנבלט ואחימאיר. בעת החקירה המוקדמת נתגלו לפתע, ב-26 בינואר 1934, שני חשודים נוספים. ערבי בשם עבדול מג'יד מסר מרצונו הודאה במשטרה שארלוזורוב נרצח על ידו ועל ידי חברו עיסא דרוויש. עבדול מג'יד הובא לחקירה בפני השופט בודילי אך חזר בו מן ההודאה, ושוב חזר והודה, ולבסוף חזר בו כליל מעדותו וטען שסטבסקי ורוזנבלט הבטיחו להם אלף לירות (סכום עתק באותם הימים) תמורת הודאתו.
בסיום החקירה המוקדמת, שארכה שבעה וחצי חודשים, פסק השופט בודילי ב-7 במרץ 1934 כי יש מספיק ראיות כדי להעמיד לדין באשמת רצח את סטבסקי ורוזנבלט, ואת אב"א אחימאיר באשמת הסתה לרצח.
משפטם של סטבסקי ורוזנבלט.
סטבסקי ורוזנבלט הועמדו לדין בפני בית המשפט לפשעים חמורים בירושלים. בדין ישבו השופטים אוון קורי ואוליבר פלאנקט הבריטים, יוסף משה ולירו היהודי ועלי חסנה הערבי. מטעם התביעה הופיעו התובע הכללי הארי הרברט טראסטד וסגנו מוסא עלמי. הנאשמים היו מיוצגים על ידי עורך הדין הוראס סמואל וסייעו בידו עורכי הדין יוסף קייזרמן לימים קיסרי, סניגורו של אברהם סטבסקי ויצחק בן ימיני סניגורו של צבי רוזנבלט. בדין המנדטורי נהוג היה הליך חקירה מוקדמת כדי לקבוע אם יש מקום להגיש כתב אישום. השופט החוקר בהליך היה קומנדר ראלף בודילי, שופט בריטי שפסק ב-7 במרץ 1934 כי יש מספיק ראיות להעמיד את החשודים לדין. המשפט עצמו החל ב-23 באפריל 1934.
בדיון חלקה הסנגוריה על תקפות זיהויו של רוזנבלט ועל תקפות מסדר הזיהוי של סטבסקי, משום שקודם למסדר הוצגו בפני הגברת ארלוזורוב מספר תמונות, ותמונתו של החשוד סטבסקי הייתה בולטת בשונותה.
במשפט העידה סימה ארלוזורוב כי סטבסקי ורוזנבלט הם הרוצחים. עוד לפני המשפט, ב-26 בינואר 1934 נתגלו שני חשודים נוספים. ערבי בשם עבדול מג'יד מסר מרצונו הודאה במשטרה שארלוזורוב נרצח על ידו ועל ידי חברו עיסא דרוויש. לאחר מכן חזר בו מן ההודאה, ושוב חזר והודה, ולבסוף חזר בו כליל מעדותו וטען שסטבסקי ורוזנבלט הבטיחו להם אלף לירות (סכום עתק באותם הימים) תמורת הודאתו. בית המשפט העליון המנדטורי, שדן ברצח ארלוזורוב כערכאת ערעור, התייחס לנושא זה וקבע שהייתה כאן קנוניה והדחה לעדות שקר.
לימים, בפני ועדת החקירה (1983) הופיע יצחק חנקין (השומר ואיש ההגנה) ואישר את תוכנה של עדותו הקודמת המוקלטת; יצחק חנקין ישב בתקופת המנדט בבית הכלא, שם פגש את עבדול מג'יד ושמע ממנו וידוי על כך שהוא השתתף ברצח ארלוזורוב יחד עם חברו עיסא דרויש (היורה). גם יעקב אורנשטיין, איש האצ"ל שלימים נמנה עם מייסדי לח"י ואשר אחרי קום המדינה היה לעיתונאי 'דבר' וחבר מפא"י, מספר באוטוביוגרפיה שלו "בכבלים" כי עבדול מג'יד הודה באזניו בתא כלאם המשותף שהוא שביצע את הרצח.
בתום המשפט, ב-8 ביוני 1934, זוכה רוזנבלט, וסטבסקי הורשע על-יסוד עדותה של סימה ארלוזורוב, ללא כל ראיה נוספת, ונדון למוות בתלייה, כאשר השופט יוסף משה ואלירו, בדעת יחיד, קבע שיש לזכותו. סטבסקי הגיש ערעור על פסק-הדין לבית המשפט העליון המנדטורי. בדיון הערעור ישבו השופטים פרנסיס בייקר וג'וליאן דה-פרייטס ואב בית הדין היה זקן השופטים מייקל מקדונל. ב-20 ביולי 1934 זוכה גם סטבסקי, על ידי כל השופטים, בעיקר על בסיס דיני הראיות שנהגו בארץ ישראל המנדטורית (אך לא בבריטניה עצמה) לפיהם אין להרשיע אדם ברצח על סמך עד ראייה אחד בלבד, ללא עדות מסייעת. על כן נפסק שעדותה של סימה ארלוזורוב אין בה כדי להרשיע את סטבסקי, מאחר שעדותה לא נתמכה בשום גורם אחר שקשר את סטבסקי לרצח. בנוסף לנימוק זה, נכתבו בפסק הדין על ידי השופטים האחרים נימוקים נוספים. לדבריהם הם לא מצאו דופי בעדותה של סימה ארלוזורוב, ולו היה נוהג בארץ ישראל החוק האנגלי, היו דוחים את הערעור. פסיקה זו של השופטים הייתה על פי הקודקס הפלילי העות'מאני שנהג אז בארץ ישראל. בשנת 1936 ביטלו הבריטים את הקודקס הפלילי העות'מאני, והכניסו לתוקף את פקודת החוק הפלילי, 1936, שהייתה מבוססת על המשפט הפלילי האנגלי. הסופר שבתי טבת בספרו "רצח ארלוזורוב" העלה את ההיפותזה כי "לו היה המשפט נערך באנגליה, או החל מינואר 1937 בארץ ישראל - או במדינת ישראל היה סטבסקי נשאר בהרשעתו וחייב בתליה".
הקטגור במשפט הרצח היה עורך הדין בכור-שלום שטרית, אשר כיהן אחר כך כשר המשטרה מהקמת המדינה ועד 1967.
אב"א אחימאיר, שהועמד לדין יחד עם סטבסקי ורוזנבלט, זוכה מהאשמה כבר ב-29 במאי 1934, עם סיום שמיעת עדויותיהם של עדי התביעה. עם זאת, הוא נעצר בשנית והועמד לדין כמקים הארגון "ברית הבריונים". יחד איתו הועמדו לדין חברים נוספים בארגון. המשפט קיבל את הכינוי "משפט ברית הביריונים". סניגורו במשפט זה היה צבי אליהו כהן. ב-18 ביוני 1934 הורשע אחימאיר ונדון ל-21 חודשי מאסר בפועל, שהומרו לאחר מכן ל-18 חודשי מאסר.
על פי האוטוביוגרפיה של ג'וזף פרדריק, שהיה בזמן הרצח סגן מפקד המשטרה הבריטית לשעבר, ידעו הבריטים כל הזמן שאין לאף אחד מהשלושה כל קשר לרצח. יהודה ארזי, שהתמנה להיות הקצין החוקר בפרשת הרצח, סבר גם הוא כי סטבסקי חף מפשע. ארזי, שאף סייע לצוות ההגנה של סטבסקי, סיפר כי היה עליו לחץ גדול מצד חבריו ב"הגנה" להרשיע את הנאשמים, אף שלא היו ראיות כנגדם. כאשר סירב לעשות זאת, הוחרם ופוטר מהמשטרה.
על החקירה המוקדמת והמשפט כתב שבתי טבת בספרו "רצח ארלוזורוב":
הוויכוח ביישוב.
על רקע הרצח והמשפט הוחרפו היחסים בתוך המחנות הפוליטיים ביישוב. החשש ממלחמת מחנות ומרדיפת חשודים עלה מיד ביום הרצח, והביא לקריאה של ברל כצנלסון, עורך "דבר", כבר למחרת הרצח, להימנע מהאשמות בלתי מבוססות.
רצח ארלוזורוב הפך לנושא העיקרי של מערכת הבחירות להסתדרות הציונית, בארץ ישראל ובעולם. ראשי תנועת הפועלים האשימו את הרוויזיוניסטים ברצח. "העולם", ביטאון ההסתדרות הציונית בלונדון, ציין: "ישנה עובדה אחת, ועובדה זו מכילה כתב־אשמה הכי נורא נגד מנהיגי הרוויזיוניסטים. זוהי העובדה, שמיד בהיוודע דבר הרצח נולדה בלב אלפים ורבבות בכל קצווי העולם היהודי המחשבה האיומה הזאת, שמא יד יהודי שפכה את הדם הזה".
במאמר שכותרתו "אני מאשים" יצא דוד בן-גוריון בהתקפה חריפה על רקע הרצח, כנגד זאב ז'בוטינסקי וחברים נוספים בתנועה הרוויזיוניסטית.
מנהיגי הרוויזיוניסטים כינו את מסע ההאשמות נגדם "עלילת דם". ז'בוטינסקי השווה בפולין את סטבסקי לבייליס ואת גל ההאשמות כינה "בייליסיאדה".