הרצח קרה בתקופה של קרע פנימי עמוק ביישוב, בין תנועת העבודה ומפא"י לבין התנועה הרוויזיוניסטית, שנאבקו על הנהגת היישוב. ארלוזורוב אך שב לארץ ממסעו לגרמניה הנאצית שנועד לטפל בהעלאת יהודי גרמניה לארץ ישראל, ובארגון מנגנון בשם "העברה", להצלת רכוש יהודי גרמניה ולהבאתו לארץ ישראל. תוך כדי מסעו לגרמניה התנהל בארץ, נגדו ונגד תוכניותיו, מסע הכפשה בעיתון הרוויזיוניסטי "חזית העם", שהיה ביטאונו של האגף הקיצוני והרדיקלי בתנועה הרוויזיוניסטית, תוך שימוש בביטויים כגון "ברית סטלין-בן-גוריון-היטלר", "סכין בגב האומה", "הינוקא האדום", "ערל-זה-רב", "סנבלט" ו"הדיפלומט האדום" שבא למכור את כבוד העם היהודי "בעד בצע כסף להיטלר". השיא היה במשפט: "העם היהודי תמיד ידע להעריך כראוי את מוכרי כבוד עמם ותורתם, ידע גם כיום להשיב על הנבלה הזאת הנעשית לעיני השמש ולעיני העולם כולו".
עקב התנהלות עיתונאית זו נפל חשדן של הנהגת היישוב ושל משטרת המנדט על אנשי התנועה הרוויזיוניסטית כמבצעי הרצח.
החשוד הראשון - אברהם סטבסקי.
לאחר שנפל החשד על אנשי התנועה הרוויזיוניסטית והחקירה התנהלה בכיוון זה, נעצר עד מהרה החשוד הראשון - אברהם סטבסקי. סטבסקי התגורר באותה עת בצריף יחד עם אב"א אחימאיר, שהקים ב-1930 את "ברית הבריונים", תנועה אנטי-סוציאליסטית ואנטי-בריטית, ועמד בראשה. חשדו של בעל הבית שהשכיר להם את הצריף התעורר כאשר שמע את תיאורם של הרוצחים כפי שהתפרסם על ידי הבולשת הבריטית במודעות בחוצות העיר. תיאורו של הגבוה מבין שני הרוצחים נראה לו תואם את דמותו של סטבסקי והוא הודיע על כך למשטרה, ואמנם, הלה נעצר ב-19 ביוני 1933. מפקד הבולשת הבריטית הארי רייס הראה לסימה ארלוזורוב את תמונתו של סטבסקי, כשהיא נמצאת בצרור תצלומים של אנשים נוספים והיא זיהתה את סטבסקי כגבוה מבין שני הרוצחים. אב"א אחימאיר נעצר ביחד איתו כחשוד בהסתה לרצח.
החשוד השני - צבי רוזנבלט.
צבי רוזנבלט נעצר כחשוד ברצח ב-23 ביולי 1933. החשד כלפיו התעורר בעקבות הודעה במשטרה של צעירה בשם רבקה פייגין. ימים מספר לאחר מעצרו של סטבסקי פנתה פייגין לוועד הפועל של ההסתדרות הכללית, יריבתה הראשית של התנועה הרוויזיוניסטית, ומסרה כי בפיה סודות על הרוצחים. היא הציגה עצמה כחברת בית"ר המקורבת ל"ברית הבריונים" ויוצאת פלוגת בית"ר בכפר סבא. לטענתה דבר הרצח קומם אותה והיא פנתה עורף לתנועתה. לדבריה, העורך הראשי של "חזית העם" גילה לה כי איש פלוגת בית"ר בכפר סבא, צבי רוזנבלט - או חבר אחר מ"ברית הבריונים", צבי שניידרמן, הוא שירה בארלוזורוב, וכי אברהם סטבסקי הוא האיש שהאיר בפנס. אנשי הוועדה שהקימה מפא"י לחקירת הרצח חקרו אותה והתברר שגרסתה מתבססת על פרטי פרטים, שמות מקומות ופגישות. למרות הסתייגות הוועדה מאישיותה של פייגין ומהרקע האישי שלה, שנראו לאנשי הוועדה, שאול אביגור ואליהו גולומב, כמצביעים על אישיות בלתי יציבה, הרי שפע הפרטים המדויקים שידעה למסור על אנשי הפלוגה ועל חברי "ברית הבריונים" הכריע את הכף והם נטו להאמין לה.
הם החליטו להביא את הדבר להכרעת הסמכות המוסרית העליונה של תנועת העבודה, ברל כצנלסון. הוא הגיע לקיבוץ אפיקים, שבו הוסתרה רבקה פייגין מחשש שאנשי בית"ר ינסו לפגוע בה, ושוחח עמה. לאור השיחה החליט ברל כצנלסון כי רבקה פייגין היא "אדם מבולבל", אך דבריה לעניין הרצח ראויים לאמון. חברי הוועדה בחרו להביא את גילויה של רבקה פייגין לידיעת השלטונות בדרך עקלקלה. הם שלחו מכתב אנונימי למשטרה שבו נאמר כי בעלה לשעבר של רבקה פייגין הוא המתנקש. הם יצאו מהנחה כי כאשר המשטרה תתחיל לחקור אותו, יגיעו דרכו לרבקה פייגין גרושתו. אנשי הוועדה נוכחו לראות כי קצין המשטרה יהודה ארזי, שהעניין התגלגל לידיו, לא הגיע בדרך זו אל רבקה פייגין. לכן, החליטו אנשי הוועדה להביא את העניין ישירות לעו"ד בכור-שלום שטרית, קצין התביעות של משטרת המנדט. שטרית פגש ברבקה פייגין בקבוצת כנרת ב-21 ביולי 1933, שמע ממנה את סיפוריה וגבה ממנה הודאה. יומיים לאחר אותה פגישה, ב-23 ביולי, פשטה המשטרה בכוח של עשרים שוטרים על פלוגת בית"ר בכפר סבא והחלה בחיפושים ובמעצרים. במקביל פשטה על בתיהם של פעילים בתנועה הרוויזיוניסטית ועצרה שלושים מהם. לאחר מיון שחררה עשרה מהם והשאירה במעצר את אלו המקורבים ל"ברית הבריונים". בין העצורים היו צבי רוזנבלט ומנהיג "ברית הבריונים", אב"א אחימאיר.
הזיהוי המהוסס.
למחרת מעצרו הובא רוזנבלט למסדר זיהוי בפני סימה ארלוזורוב. היא זיהתה אותו כרוצח, אך הזיהוי לא היה החלטי, חד וחלק, כפי שהיה זיהויה את אברהם סטבסקי. עוד לפני מעצרו של רוזנבלט השתתפה סימה ארלוזורוב בשני מסדרי זיהוי, שנערכו בבית הסוהר המרכזי בירושלים ב-4 ביולי 1933. בראשון היססה מלזהות חשוד מסוים ולבסוף הצביעה על שלושה ממשתתפי הזיהוי ואמרה כי הם מזכירים לה את היורה, אבל איננה חושבת שמישהו מהם הוא הרוצח. ב-11 ביולי נערך מסדר הזיהוי השני. הוצגו בפניה שלושה עשר אנשים, שניים מתוכם נראו לה כדומים לרוצח אך אינם המתנקשים.
במסדר הזיהוי השלישי השתתף רוזנבלט. המסדר נערך ב-24 ביולי 1933. בפני סימה ארלוזורוב הוצגו ארבע קבוצות של אנשים. צבי רוזנבלט היה השלישי בקבוצה הראשונה. בקבוצה השנייה היה צבי שניידרמן, שעליו אמרה רבקה פייגין בעדותה במשטרה כי נמסר לה כי הוא או צבי רוזנבלט הוא אחד משני המתנקשים.
כשעמד מולה צבי רוזנבלט הגיבה כי אינו האיש. בסיימה לסקור את אנשי הקבוצה, ביקשה כי יראו לה שוב את השלישי, את רוזנבלט. היא סקרה אותו שוב ואמרה כי הוא דומה ליורה אבל אינה יכולה לומר כי היא מזהה אותו בוודאות ומבקשת לראותו בעוד כיומיים כשאינו מגולח למשעי, אלא בעל זיפי שיער כפי שהיה היורה.
בהמשך הוצגו בפניה עוד שלוש קבוצות והיא לא זיהתה איש מאנשיהן. צבי שניידרמן היה בקבוצה השנייה, וכשעמד למולה, סימה ארלוזורוב הצביעה עליו. לאחר מכן ביקשה כי יתנו לשניידרמן להחזיק חפץ בידיו, משום שבליל הרצח שמה לב לידיו. שניידרמן הרים תיק ניירות שהיה מונח שם, פעם בימינו ופעם בשמאלו ואז הודיעה כי הוא אינו האיש.
משיצאה הקבוצה הרביעית הוכנסה לחדר שוב הקבוצה הראשונה. סימה ארלוזורוב הצביעה הפעם על צבי רוזנבלט ואמרה שהוא היחיד בקבוצה זו הדומה במבנה גופו וארשת פניו ליורה, אך נראה לה כצעיר יותר מן היורה מפני שהוא חיוור ממנו ומגולח.
הקצין שטרית סיכם את המסדר בכותבו כי סימה ארלוזורוב זיהתה את רוזנבלט כיורה, אך במידה מסוימת של הסתייגות.
האליבי שהופרך.
בעוד זיהויו של רוזנבלט במסדר הזיהוי לא היה החלטי, בחקירתו התברר שלא דיבר אמת כשאמר שאינו שייך ל"ברית הבריונים". גם האליבי שלו לשעת הרצח הופרך.
חקירתו של רוזנבלט החלה ב-24 ביולי 1933 וניהל אותה יהודה ארזי. רוזנבלט מסר אליבי שלפיו בעת הרצח השתתף במה שקרא "נשף ספרותי", שנערך בפלוגה, אך לא זכר פרטים ממנו, ובבירור שערכו החוקרים התברר שנשף כזה כלל לא היה. הפרכת האליבי הגבירה את ביטחונם של החוקרים כי רוזנבלט אכן נטל חלק ברצח, והחקירה הועברה לידיו של שטרית. בחקירתו על ידי שטרית הכחיש רוזנבלט כל קשר עם "ברית הבריונים" וטען כי אינו מכיר כלל איש מחבריה שנעצרו עמו ב-23 ביולי. הוא השתמש פעמים רבות בחקירתו בתשובה "לא זוכר". החוקרים סברו כי במעט שכנוע יוכלו להביאו לכלל הודאה, אם לא ברצח, לפחות בחברות ב"ברית הבריונים" ובסיוע לקשר לרצוח את ארלוזורוב. כדי לשכנעו זימנו אליו את רבקה פייגין. היא ביקרה בכלא, מסרה לו כי נשלחה לבקרו מטעם המפלגה הרוויזיוניסטית וניסתה לשדלו כי יודה ברצח ויציל את המפלגה. השידול עלה בתוהו והחוקרים החליטו להעמידו למשפט. הוא הובל למשרדו של הארי רייס, לפי בקשתה של סימה ארלוזורוב לראותו שוב כשהוא בלתי מגולח. הוא הובא לפגישה כשזיפי זקן מכסים את פניו, לאחר ימים אחדים בהם נאסר עליו להתגלח. בתום המפגש אמרה סימה ארלוזורוב לרייס שהפעם הכירה את רוזנבלט טוב יותר מאשר במסדר הזיהוי, וכי היא בטוחה לחלוטין כי הוא האיש שירה בבעלה. הצעד הסופי היה הבאתה לזהות את המקטורן שנמצא באוהלו של רוזנבלט בפלוגה. היא התבקשה לזהותו מבין עשרה מקטורנים הדומים לו בצבעם ובצורתם והצביעה על המקטורן של רוזנבלט כמקטורן שהיורה היה לבוש בו בליל הרצח. לכך הצטרף גם הזיהוי של הנעליים שנמצאו באוהלו של רוזנבלט כדומות לתבניות הגבס שיצקה המשטרה על העקבות בחול, שהתגלו בזירת הרצח. ההעמדה לדין הייתה עתה ודאית.
המשפט והזיכוי.
משפטם של סטבסקי ורוזנבלט החל ב-23 באפריל 1934 בבית המשפט לפשעים חמורים בירושלים. אב בית הדין היה השופט הבריטי אוון קורי, המשנה לזקן השופטים, ולצדו ישבו בדין השופט הבריטי אוליבר פלאנקט, ממלא מקום נשיא בית המשפט המחוזי בירושלים; השופט היהודי ד"ר יוסף משה ולירו מבית המשפט המחוזי בירושלים, והשופט הערבי עלי חסנה מבית המשפט המחוזי בירושלים. התובע היה בכור-שלום שטרית, לימים שר המשטרה בממשלות ישראל הראשונות.
בראש צוות ההגנה עמד עורך דין הוראס סמואל, יהודי בריטי שהגיע לארץ ישראל בשנת 1918 כקצין בגדוד העברי. לצדו עמדו שלושה עורכי דין נוספים, יוסף קייזרמן, יצחק בנימיני וצבי אליהו כהן.
את סימה ארלוזורוב, שהייתה עדה במשפט, ליווה עורך הדין ברנרד ג'וזף, לימים דב יוסף, שר המשפטים במדינת ישראל.