Член кружка Н. А. Спешнев составил проект устава тайного общества. Петрашевцы не успели создать революционную организацию: царские агенты выследили участников собраний у Буташевича-Петрашевского и учредили за ними секретный надзор.
Тайному агенту удалось бывать на этих собраниях. Он внимательно прислушивался к выступлениям и составлял подробные донесения.
22 апреля 1849 года Николай I приказал арестовать наиболее активных членов кружка.
Была назначена секретная следственная комиссия, которая пришла к выводу, что раскрыт «заговор идей», который «развратил» умы, но не перешел в активное действие. Правительственное сообщение назвало петрашевцев «горстью ничтожных молодых людей», но Николай I, напуганный революциями 1848 года в Европе, усмотрел в деятельности кружка возрождение декабристского духа.
Как и декабристов, арестованных петрашевцев бросили в казематы и в Секретный дом Алексеевского равелина. Восемь месяцев их держали в крепости. Их обвинили в попытке создать «преступное сообщество с революционными целями», в оскорблении царя, в антиправительственной пропаганде.
21 участник кружка был приговорен к смертной казни, которую заменили каторжными работами и другими наказаниями.
22 декабря 1849 года приговоренных к смертной казни привели на Семеновский плац (ныне Пионерская площадь). Там был сооружен эшафот, около него врыты в землю три столба. Осужденных выстроили на эшафоте. Каждому в отдельности прочитали приговор. После проповеди священника на них надели саваны с капюшонами. Троих — М. В. Петрашевского, Н. А. Момбелли и Н. П. Григорьева — привязали к столбам и опустили капюшоны на глаза. Напротив них выстроились солдаты с ружьями. Солдатам скомандовали: «Приготовиться!», раздалась дробь барабанов, потом новая команда: «Отставить!». Зачитали новый приговор, по которому смертная казнь заменялась каторгой. Весь этот церемониал казни разработал лично Николай I.
Петрашевец Д. Д. Ахшарумов, вспоминая потом гражданскую казнь, писал: «Момент этот был поистине ужасен. Видеть приготовление к расстрелянию, и притом людей, близких по товарищеским отношениям, видеть уже наставленные на них почти в упор ружейные стволы и ожидать — вот-вот прольется кровь и они упадут мертвыми, было ужасно отвратительно, страшно… Сердце замерло в ожидании, и страшный момент этот продолжался с полминуты. При этом не было мысли о том, что и мне предстоит то же самое, но все внимание было поглощено наступающею кровавою картиною. Возмущенное состояние мое возросло еще более, когда я услышал барабанный бой, значение которого я тогда, как не служивший в военной службе, не понимал. „Вот конец всему“. Но вслед за тем увидел я, что ружья, прицеленные, вдруг все были подняты стволами вверх. От сердца отлегло сразу, как бы свалился сдавивший его камень».
Эту инсценировку казни пережил вместе с другими петрашевцами, приговоренными к смерти, и Ф. М. Достоевский.
Усиление реакции в последние годы царствования Николая I не остановило развития русского освободительного движения, вступавшего в новую фазу: на исторической арене появились революционеры-демократы 60-х годов. Главной трибуной демократического движения в России стал журнал «Современник».
Революционеры-демократы поставили своей ближайшей целью путем революционного обращения к народу, ко всем слоям русского общества вовлечь их в борьбу с самодержавием. Правительство бросило против революционных демократов хорошо организованный аппарат секретного розыска, жандармерию и полицию. Начались многочисленные аресты, заполнялись тюрьмы. Немало заключенных в 60―80-е годы оказалось и в Петропавловской крепости.
Осенью 1861 года в Петербурге были произведены массовые аресты учащейся молодежи, принимавшей участие в студенческих волнениях. Хотя поводом к ним послужили издание новых правил для студентов, закрытие студенческой кассы и библиотеки, повышение платы за обучение и т. д., события осени 1861 года приняли явно политический характер. Правительство закрыло Петербургский университет. В Петропавловской крепости оказалось более 300 студентов.
14 октября 1861 года в крепость был брошен М. Л. Михаилов — поэт, переводчик, публицист, обвинявшийся в написании прокламации «К молодому поколению». Михайлов был осужден на каторгу.
3 ноября 1861 года последовали арест сотрудника журнала «Современник» В. А. Обручева и заключение его в Секретный дом Алексеевского равелина.