Опрошенный по этому поводу Малышев, продолжая отрицать свою виновность, объяснил, что 6 000 рублей, которые он перевел из Одессы в Казань, а также и 3 билета выигрышного займа он выиграл на пароходе у неизвестного человека. Отказавшись затем отвечать на другие предложенные ему вопросы, Малышев заявил, что он еще «подумает».
При продолжении следствия было выяснено, что летом 1900 года Малышев проживал в гостинице «Болгария», где пробыл всего один день и, оставив там свои вещи, неизвестно куда скрылся. 20 июня того же года он отправил из Николаева в Харьков посылкою на свое имя до востребования ящик с драгоценными вещами. По осмотре вещей, оставленных Малышевым в гостинице «Болгария», в числе их оказались: карта Российской империи с железными дорогами, разные бумаги и заметки и жестяная коробка с 15 пузырьками, наполненными жидкостями, кристаллами и порошками. Химическим исследованием было установлено, что большинство этих пузырьков заключало в себе сильнодействующие вещества и яды: цианистый калий, опий, морфий, экстракт белладонны и хлороформ. Вместе с тем из почтовой конторы была вытребована и посылка, отправленная Малышевым из Николаева в Харьков, и в ней были найдены четыре золотых браслета, куски золотого колье, аметистовые подвески от колье, усыпанные бриллиантами, золотая брошь с кораллами, золотое кольцо с сапфиром, такое же кольцо с изумрудом и 12 пакетов с драгоценными камнями: бриллиантами, рубинами, жемчугом и проч. Все эти вещи, как выяснилось, принадлежали раньше убитой Софии Володкович.
25 декабря Малышев обратился к прокурору одесского окружного суда с просьбой приехать к нему в тюрьму для личных объяснений. Сущность этих объяснений, подтвержденных затем Малышевым при допросе его 15 января судебным следователем, сводилась к следующему: в мае 1900 года Малышев, по его рассказу, проигрался в карты и, находясь в крайности, решил поправить свои дела путем преступления. Под влиянием этой мысли он сначала накупил себе ядов, а затем 7 июля приобрел на толкучем рынке в Одессе у неизвестного лица кинжал с тяжелой железной ручкой и на другой день выехал из Одессы по железной дороге в вагоне 3-го класса. Билет он взял до станции Болта, но ночью в вагоне, в котором он сидел, испортился вдруг тормоз, и поезд остановился в пути. Малышев вышел на площадку и заметил, что рядом с его вагоном находится вагон 1-го класса. Тогда-то у него, по непонятной ему самому ассоциации мыслей, явилась странная идея, что в эту ночь он должен совершить преступление. Когда поезд тронулся в путь, Малышев вскоре вошел в соседний вагон и здесь наудачу отворил первое попавшееся ему на глаза купе. Оно было заперто, но, воспользовавшись бывшими у него щипцами-плоскогубцами, Малышев легко открыл его. В купе была только одна дама, которая в это время спокойно спала. Не имея намерения убивать пассажирку, Малышев хотел только ошеломить ее и ручкой кинжала два раза ударил по голове. После этого он начал осматривать ее вещи, как вдруг она стала стонать все громче и громче, и лишь тогда, придя в какое-то неистовство, он начал наносить ей удары острием кинжала. Сколько именно раз он ударил кинжалом — Малышев не помнит, но наносил удары до тех пор, пока она не умолкла. Потом он забрал все ее ценные вещи и деньги и вышел на площадку вагона. Когда поезд остановился около какой-то станции, он поспешил спрыгнуть на платформу и со встречным пассажирским поездом возвратился обратно в Одессу.
Сопоставив данные, обнаруженные предварительным следствием по делу об убийстве Софии Володкович, с обстоятельствами убийства Олимпиады Горич (совпадение места, цели и орудия преступления, один и тот же способ убийства и прикрытие в обоих случаях трупа платком, пледом и другими вещами, и в связи с тем, что в купе, в котором была убита Горич, оказался платок с меткой «М»), судебный следователь пришел, наконец, к убеждению, что убийца обеих женщин — одно и то же лицо.
Привлеченный к следствию в качестве обвиняемого в убийстве Олимпиады Горич Малышев виновным себя не признал и объяснил, что платка с меткой «М» у него никогда не было.
— А где вы провели ночь на пятое апреля? — стали расспрашивать его.
— Не помню… запамятовал, — растерянно говорил он.
По справкам обнаружилось, что в 1895 году Малышев судился уже в симбирском окружном суде за то, что в ночь на 3 мая 1894 года, проезжая на пароходе по реке Волге, он проник через открытое окно в каюту 1-го класса, где спал доктор медицины Джорж Карин, и, когда тот проснулся, напал на него с обнаженным кинжалом. Будучи признан виновным в покушении, Малышев был приговорен тогда к заключению в тюрьму на 4 месяца.