Тем не менее, приговор оказался весьма суров:
«за все учиненные злодеяния, бунтовщику и самозванцу Емельке Пугачеву, в силу прописанных божеских и гражданских законов, учинить смертную казнь, а именно: четвертовать, голову взоткнуть на кол, части тела разнести по четырем частям города и положить на колеса, а после на тех же местах сжечь.»
Другим обвиняемым были назначены различные по тяжести наказания сообразно степени их вины: от четвертования, отсечения головы и повешения до телесных наказаний, ссылки на каторгу и лишения чинов. Группа казаков, схвативших Пугачева и передавших его властям, «в силу высочайшего ее императорского величества милостивого манифеста» была помилована и от наказания освобождена.
После проверки приговора императрицей на последнем заседании 9 (20) января 1775 года приговор был подписан присутствовавшими судьями за исключением представителей Синода. Духовные лица, в целом поддержавшие приговор и назначение «жесточайшей казни», ходатайствовали освободить их от подписания сентенции. Они указывали на несовместимость подписания смертного приговора с их духовным статусом. Их просьбы были услышаны, текст приговора был дополнен пояснительной записью, и от подписания приговора они были освобождены.
На последнем заседании суда также были определены особенности исполнения приговора и правила оповещения населения о вынесенных наказаниях. В частности, приговор надлежало исполнить на следующий день, 10 (21) января, «пополуночи в 11 часов» в Москве на Болотной площади («болоте»). Генерал-губернатор и обер-полицмейстер Москвы получили указания обеспечить порядок и безопасность в месте совершения казней. Сенату предписывалось определить места для отправки заключенных в ссылку и известить об этом местные власти. При обнародовании приговор должен был сопровождаться «Описанием, собранным поныне из ведомостей разных городов, сколько самозванцем и бунтовщиком Емелькою Пугачёвым и его злодейскими сообщниками осквернено и разграблено Божиих храмов, а также побито дворянства, духовенства, мещанства и прочих званий людей, с показанием, кто именно и в которых местах».
Утро казни выдалось морозным. Но это не отпугнуло людей, желавших увидеть последние минуты жизни самого опасного злодея и изменника, «какого на сей день только видела русская земля». Вокруг эшафота на Болотной площади собралось множество зрителей. Будущий литератор и министр юстиции И. И. Дмитриев так вспоминал этот день: «Позади фронта все пространство Болота, или лучше сказать, низкой лощины, все кровли домов и лавок, на высотах с обеих сторон ее усеяны были людьми обоего пола и различного состояния. Любопытные зрители даже вспрыгивали на козлы и запятки карет и колясок. Вдруг все восколебалось и с шумом заговорило: «Везут! Везут!»
Пугачева доставили на площадь на «позорной колеснице» — санях, на которых был устроен выкрашенный черным помост со столбом. Прикованный к столбу Пугачев сидел на скамье, установленной на помосте, и держал в руках две свечи. Остальные преступники шли следом за повозкой. Как только Пугачева и Перфильева возвели на эшафот, судебный секретарь начал размеренно читать сентенцию, подчеркнуто останавливаясь на описании каждого злодеяния. По воспоминаниям очевидца казни, известного мемуариста А. Т. Болотова, внешний вид Пугачева и его поведение ничем не выдавали в нем преступную натуру: «Он стоял в длинном нагольном овчинном тулупе почти в онемении и сам вне себя и только что крестился и молился. Вид и образ его показался мне совсем не соответствующим таким деяниям, какие производил сей изверг. Он походил не столько на зверообразного какого-нибудь лютого разбойника, как на какого-либо маркитантишка [торговец или повар. — Прим. автора] или харчевника плюгавого».
Из записок Дмитриева известно о последних мгновениях жизни Пугачева: «По прочтении манифеста духовник сказал им [Пугачеву и Перфильеву. — Прим. автора] несколько слов, благословил их и пошел с эшафота. Читавший манифест последовал за ним. Тогда Пугачев сделал с крестным знамением несколько земных поклонов, обратясь к соборам, потом с уторопленным видом стал прощаться с народом; кланялся на все стороны, говоря прерывающимся голосом: «Прости, народ православный; отпусти мне, в чем я согрубил пред тобою; прости, народ православный!» — При сем слове экзекутор дал знак: палачи бросились раздевать его; сорвали белый бараний тулуп; стали раздирать рукава шелкового малинового полукафтанья».