גולובב לחץ על מישצ'וק שיפנה את חקירתו לכיוון של "רצח דתי", אולם מישצ'וק התנגד לכך בנחרצות. בעקבות זאת, החליטו גולובב וליאדוב להביא להרחקתו מהחקירה. הם העמידו לרשותו פושע בשם קושניר, שאמור היה לנצל את קשריו בעולם התחתון במטרה לגלות את הרוצח. אלא שמשימתו האמיתית של קושניר הייתה להפיל את מישצ'וק בפח. הוא טמן חפצים שונים בסמוך למקום גילוי גופת הנרצח, וסיפר למישצ'וק שקיבל מכתב אנונימי המספר על קיומם של החפצים המוטמנים, ששייכים כביכול לקורבן, וטוען כי הרוצחים הם חבריה של צ'בריאק. מישצ'וק מצא את החפצים, ובישר לשופט החוקר שפתר את התעלומה. אלא שהתברר כי החפצים לא היו של הנער, ומישצ'וק הואשם בזיוף הוכחות. הוא הועמד למשפט ונידון לשלושה חודשי מאסר. כעבור זמן מה, הודה קושניר במעשיו ובכך שהוא הושתל בתפקידו זה במטרה להכשיל את מישצ'וק. בעקבות זאת קיבל מישצ'וק חנינה ופסק הדין נגדו בוטל, אולם הוא לא הוחזר לתפקידו כחוקר משטרה.
המפקח קראסובסקי.
חקירת ורה צ'בריאק.
המשך החקירה הוטל על הפודפולקובניק איוואנוב, שעמד בראש הז'נדרמריה (המשטרה המדינית של שירותי הביטחון). אליו סופח, במקום מישצ'וק, המפקח ניקולאי קראסובסקי, שכיהן באותה עת כמפקד מחוז משטרה כפרי, אך נודע כמומחה ארצי לחקירת פשעים מסובכים. ב-7 במאי החל קראסובסקי בעבודתו, אלא שבניגוד לציפיות אנשי הממשל, החליט לחדש את חקירתם של ורה צ'בריאק וחבורתה. בין היתר, הוא סייר בפרבר לוקיאנובקה, מחופש לפועל, כדי לשמוע דברים מפי התושבים. אחד הסיפורים ששמע, עורר את אמונו: בבוקר היעלמותו, שיחק אנדריי בחורשה בפרבר עם חברו ז'ניה צ'בריאק ועם חבר נוסף. פרצה מריבה בין אנדריי וז'ניה, ובמהלכה איים אנדריי שיספר על כך שבבית אמו של ז'ניה ישנה סחורה גנובה. ז'ניה רץ אל ביתו וסיפר על כך לאמו. הנער השלישי, שליווה את ז'ניה, שמע מחוץ לבית את ורה צ'בריאק שואלת "מה נעשה עם אנדריי?" ואת תשובתו של אחד הנוכחים בביתה, "יש להיפטר ממנו מיד!". בהתחשב בכך שיומיים לפני הרצח פשטה המשטרה על ביתה של צ'בריאק וערכה בו חיפוש אחר חפצים גנובים, החליט קראסובסקי לחקור את בני המשפחה. הוא חקר מספר פעמים את ז'ניה וב-10 במאי 1911 ערך חיפוש בביתם. בשעה ששהה בתוך הבית, עמד עוזרו, הבלש קיריצ'נקו, בפתח הבית, שם פגש את ז'ניה ושאל אותו מה ידוע לו לגבי הרצח. לפתע נראה הילד מבוהל. בעקבות זאת, הסתובב קיריצ'נקו לאחור וראה את האם ורה מסמנת לבנה סימני אזהרה, ואילו הילד ברח מבלי לענות על השאלה. ב-9 ביוני נעצרה ורה צ'בריאק לחקירה. היא הייתה עצורה במשך חמישה שבועות, שבמהלכם נחקרה מספר פעמים והודתה כי אנדריי אכן ביקר בביתה בבוקר שבו נעלם וגם השאיר שם את מעילו. אלא שבהוראת צ'פלינסקי, על אף התנגדותם של איוואנוב ופרקליט המחוז בראנדורף, ב-14 ביולי היא שוחררה ממעצרה.
חקירת הזוג שאכובסקי ואנה "הלביאה".
בתחילת יולי 1911 הופיע לראשונה בפני קראסובסקי, מדליק הפנסים העירוני קזימיר שאכובסקי, שסיפר לחוקר כי הוא נזכר (ארבעה חודשים לאחר הרצח) שבבוקר בו נעלם אנדריי, הוא פגש את הנער ברובע לוקיאנובקה יחד עם ז'ניה ונער נוסף. אשתו של שאכובסקי, יוליאנה, נחקרה גם היא, בנפרד, וגם היא נזכרה כי ראתה באותו בוקר את אנדריי וז'ניה, אולם לא ראתה איתם נער נוסף. ב-10 ביולי העידה יוליאנה בפני פולישצ'וק, אחד מעוזריו של קראסובסקי, כי אשה בשם אנה "וולקיוונה" ("הלביאה") סיפרה לה שראתה בבוקר היעלמותו של אנדריי, אדם הסוחב אותו בכוח למשרפת הלבנים, בעוד שני חבריו של אנדריי בורחים. ב-18 ביולי נחקר קזימיר פעם נוספת, הפעם בפני פננקו, ובחקירה זו הזכיר לראשונה את שמו של מנדל בייליס – כ"ידיד" של ורה צ'בריאק, מפאת היותו של חצר בית החרושת בו עבד, גובל עם חצר ביתה. ב-20 ביולי הופיע הזוג ביוזמתו בפני השופט החוקר והשניים מסרו עדויות נוספות בנפרד. יוליאנה סיפרה ששמעה מבעלה, כי ראה את בייליס סוחב בכוח את אנדריי לכיוון משרפת הלבנים. קזימיר טען שנזכר בפרט חשוב: ביום שלישי, שלושה ימים לאחר שפגש את אנדריי וז'ניה, פגש שוב את ז'ניה, אצל דודתו, וז'ניה סיפר לו כי בבוקר בו פגש אותם הוא שיחק עם אנדריי בחצר בית החרושת ללבנים עד ש"אדם בעל זקן שחור" גירש אותם משם. לטענתו של שאכובסקי, הוא נזכר בפרט זה, כאשר אשתו סיפרה לו שוורה אמרה לה לאחר שחרורה: "בגלל המנוול הקטן הזה (ז'ניה) לא נותנת לי המשטרה מנוח". שאכובסקי הוסיף כי לדעתו "האדם עם הזקן השחור" יכול להיות רק בייליס. קראסובסקי החליט לחקור בסביבתו של שאכובסקי ופגש את הסנדלר נקונייצ'ני, שהעיד כי שאכובסקי אמר לו שהוא רוצה להתנקם בבייליס משום שזה האשימו בגנבת עצים מבית החרושת. ב-23 ביולי עומתו השניים בחקירה ושאכובסקי הודה כי התיאור "אדם עם זקן שחור" היה תוספת שלו עצמו לדבריו של ז'ניה. השופט החוקר שאל אותו מי הדריך אותו להוסיף זאת ושאכובסקי השיב כי היה זה הבלש פולישצ'וק. לשמע דברים אלה, הגיע קראסובסקי למסקנה כי פולישצ'וק "עיבד" את העדות הזו כדי להפנות את החשד על בייליס. וולקיוונה עצמה הסבירה בחקירתה כי אכן סיפרה ליוליאנה על "אדם עם זקן שחור", אך הכחישה שסיפרה כי "סחבו את אנדריי למשרפת בית החרושת" וטענה שממילא הייתה שיכורה בשעת שיחתן.
מעצר בייליס.
על אף הסתירות בעדויות הללו, החליט התובע הכללי צ'פלינסקי, בניגוד לדעתם של פרקליט המחוז בראנדורף, של המפקח קראסובסקי ושל השופט החוקר פננקו, כי החומר מספיק כדי לעצור את בייליס. לאחר שפננקו סירב להוציא את צו המעצר, דרש צ'פלינסקי מראש שירות הביטחון (ה"אוכרנה") בקייב, שישתמש בסמכותו המיוחדת במקרים של סכנה לביטחון המדינה. ב-22 ביולי 1911, בשעה 03:00 בלילה, נעצר בייליס כחשוד ברצח על ידי חוליה בת 50 ז'נדרמים שפשטה על ביתו, ובראשם המפקד המקומי של ה"אוכרנה". בבית נערך חיפוש מדוקדק, אולם לא נמצא בו אף ממצא מחשיד. יחד עם בייליס נעצר גם בנו בן ה-8, שהוחזק במעצר נפרד. למחרת הופגש הילד עם ז'ניה צ'בריאק ובצהריים שוחרר.
על אף מעצרו של בייליס, המשיכו קראסובסקי ואיוואנוב, בהסכמת בראנדורף, לנהל את חקירתם בכיוון חבורתה של ורה צ'בריאק. ב-22 ביולי עצרו אותה שנית, אלא שגם הפעם היא שוחררה, ב-7 באוגוסט. כשחזרה לביתה, שמעה כי בלשים שוחחו עם בנה, ז'ניה, שכבר מספר ימים היה מאושפז בבית חולים. היא דרשה את שחרורו ועל אף התנגדותו של הרופא המטפל, הוא הוחזר לביתו, וכעבור יומיים, ב-9 באוגוסט, נפטר. הבולשת לא התירה לה להשתתף בהלווייתו. כעבור מספר ימים נפטרה גם אחותו הקטנה, ולנטינה. הגופות עברו בדיקה רפואית בידי ד"ר טופאנוב, שערך את הנתיחה השנייה בגופתו של אנדריי. הבדיקה הראתה כי ז'ניה מת מדיזנטריה.
שחרורה של צ'בריאק נעשה בהוראת צ'פלינסקי. בעקבות זאת, התפטר קראסובסקי מהחקירה וחזר לשירותו כקצין מחוז כפרי. בספטמבר הדיחו צ'פלינסקי ושצ'גלוביטוב גם את בראנדורף. במקום קראסובסקי מונה המפקח קיריצ'נקו. איוואנוב וקיריצ'נקו המשיכו לחקור בכיוון כנופייתה של צ'בריאק. עוד קראסובסקי שם לב לכך שאנשיה לא ניסו להסתלק מקייב לאחר מספר פריצות שביצעו בעיר, בעוד ששלושה מהם מיהרו לנסוע למוסקבה למחרת רצח יושצ'ינסקי. לכך הצטרפה העובדה כי מיום הרצח פסקו לפתע הפריצות באזור זה של קייב. ב-1 בנובמבר הגיעה עדות מכרעת בכיוון זה: מליצקאיה, בעלת בית המרזח שבקומת הקרקע של הבית בו גרה משפחת צ'בריאק, העידה כי ביום הרצח שמעה מלמעלה, מעל לדירתה, רעש של צעדים כבדים וקול בכי של נער שלא דמה לקולות ילדיה של ורה.
ביום שבו מסרה בעלת בית המרזח את עדותה, השתחרר מהכלא אסיר בשם קזצ'נקו, שהיה שכנו לתא של בייליס ושימש כסוכן משטרה, ומסר לסוהרים מכתב שבייליס ביקש ממנו להעביר בסוד לאשתו. מלבד המכתב, טען קזצ'נקו כי בייליס ביקש ממנו לבצע עבורו שליחות: להשיג סטריכנין ממישהו בבית החולים היהודי ולהרעיל את שני העדים קזימיר שאכובסקי ונקונייצ'ני, ובעבור משימה זו "ישלם לו העם היהודי 500 רובל". אלא שאיוואנוב לא האמין לסיפור ההרעלה וקזצ'נקו הודה בפניו כי בדה אותו. הוא עדכן בנושא את צ'פלינסקי, אך זה דרש ממנו להשתיק את עניין ההודאה.
ב-20 בדצמבר, ארבעה חודשים לאחר מותו של ז'ניה, העיד אביו, וסילי צ'בריאק, כי מספר ימים לפני הרצח, חזר ז'ניה הביתה כשהוא נסער, וסיפר כי שיחק עם אנדריי בחצר בית החרושת ובייליס גירש אותם משם לעיני בניו הצוחקים.
שלושה חודשים לאחר מעצרו של בייליס, פנו אשתו ואחיו לעורך הדין היהודי ארנולד מרגולין וביקשו ממנו לטפל בשחרורו. מרגולין שוחח בנושא עם פננקו, אולם רק באופן פרטי, משום שעל פי הנוהל, רשאי היה חשוד בפלילים הנמצא במעצר, להיעזר בפרקליט רק לאחר הגשת כתב אישום נגדו. לאחר מכן הוקמו שני ועדים: ועד לצורך סיוע כספי למשפחת בייליס, ובראשו עשירי העיר, וועד ציבורי לטיפול במשפט, ובראשו הרב הראשי של קייב. ועד זה הזמין להתיעצות את עורך הדין היהודי הידוע אוסקר גרוזנברג.
ב-5 בינואר 1912 נסתיימה החקירה, ב-18 בינואר הוחלט להעמיד את בייליס לדין וב-30 בינואר נמסר לידיו כתב האישום. הוא היה בן חמישה עמודים, לא צוין בו מניע לרצח ולא היה בו אזכור לכך שהרצח בוצע למטרות פולחן דתי.
העיתונאי בראזול-ברושקובסקי.