Петр оказался крайне недовольным поверхностным и небрежным розыском по делу бунтовщиков. Он полагал, что оно не выявило до конца целей мятежа и его истинных вдохновителей. На допросах никто из стрельцов не произнес имя Софьи, но царь не сомневался, что за очередным стрелецким бунтом стояли Милославские и опальная царевна. Главной ошибкой Шеина и Ромодановского Петр считал казнь на скорую руку зачинщиков мятежа, навсегда унесших тайные пружины восстания с собой в могилу. Кто теперь поручится, что корни очередной смуты не остались в земле и не дадут новые всходы? Может, выступление четырех стрелецких полков – это только начало масштабного восстания, которое может произойти в любой момент. Царь был очень взволнован. Он приказал немедленно доставить всех оставшихся в живых бунтовщиков в Преображенское и провести следствие заново, руководство которым возглавил лично.
Нередко в эти дни раздражение и взвинченность Петра выплескивались в необузданную ярость. На пиру во дворце Лефорта, в присутствии всей московской элиты и иностранных послов, царь, узнав, что воевода Шеин за взятки производил солдат в офицеры, выхватил шпагу и со всего маху ударил ею по столу прямо перед носом боярина. Все больше распаляясь, осыпая Шеина отборной бранью, государь размахивал шпагой и грозился истребить весь его полк и оторопевшего воеводу в первую очередь. Ромодановский, Зотов и Лефорт бросились успокаивать царя, но их вмешательство привело его в еще большую ярость. Зотов получил удар шпагой по голове, Лефорт по спине, Ромодановский чуть не лишился пальцев. Только Александру Меншикову удалось погасить ярость царя. Благо, Петр также быстро успокаивался, как и приходил в бешенство. Однако, подобные случаи взрывов царского гнева повторялись довольно часто. В другой раз под горячую руку попал сам Лефорт, которого царь могучим ударом уложил на пол и избил ногами, а Меншикову разбил в кровь нос за то, что танцуя, тот нарушил вводимый этикет – не снял шпагу.
Повторный «розыск» по делу стрельцов продолжался пять месяцев. Преображенское превратилось в огромную пыточную камеру, куда мятежников свозили, допрашивали и истязали партиями по несколько сот человек. Петр, не взирая на собственный царский сан, всегда принимал во всех своих начинаниях самое активное участие и не считал себя вправе устраняться от грязной работы. Как в этот раз, так и в будущем царь не оставался сторонним наблюдателем: не только проводил допросы, но и, добиваясь желаемых признаний обвиняемых в измене, пытал их самым жестоким образом – сек кнутом, жег каленым железом, медленно поджаривал на тлеющих углях. В ходе пристрастного следствия стрельцы сознались в умысле убить государя и его сподвижников, царевича Алексея, всех иностранцев, солдат гвардейских полков. Но о прямом соучастии Софьи в мятеже никто не произнес ни слова даже под самыми изуверскими пытками, что еще больше распаляло разбушевавшегося государя. Петр лично допросил Софью в Новодевичьем монастыре. К сестре, царской дочери, он не посмел применить пытки. Опальная царевна отвергла все обвинения брата в подстрекательстве стрельцов к бунту. На вопрос о письмах, которые зачитывались в мятежных полках от ее имени, она заявила, что впервые о них слышит, никаких посланий не писала и ничего о них не знает. Найти воззвания Софьи к стрельцам царским следователям не удалось. Серьезными уликами против нее розыск не располагал, поэтому она отделалась сравнительно легким наказанием: пострижением в монахини под именем Сусанны.
При вынесении приговоров Петр руководствовался правовыми нормами действовавшего на тот момент Соборного уложения, принятого его отцом в 1649 году. Закон предусматривал одинаковую меру наказания, как за умысел, так и за совершенное преступление; за намерение лишить жизни государя полагалась смертная казнь не только самим заговорщикам, но и всем лицам знавшим, но не сообщившим властям о подобных злых умыслах.
Москва готовилась к массовым казням. Патриарх Адриан, следуя древнему обычаю, явился в Преображенское с иконой Богородицы просить царя проявить милосердие к осужденным на смерть. Петр в раздражении велел главе православной церкви убираться восвояси и поставить икону Пресвятой Матери на место, которую он почитает не меньше патриарха; заявил ему, что, карая злодеев, совершает богоугодное дело, защищая от них свой народ.