Чеберяк давно попали в поле зрения следствия. Если приглядеться к показаниям матери и сына на допросах, то можно заметить, что они всегда указывали на лиц, бывших в данный момент на подозрении у полиции. Когда арестовали мать убитого, Чеберяк рассказывала о ее плохом обращении с сыном. Когда заговорили о ритуальном убийстве, она заявила, что уверена в причастности евреев к преступлению. Примеру матери следовал Женя, пытавшийся оговорить дядю убитого, Федора Нежинского.

Поведение Веры Чеберяк казалось подозрительным следственным властям. Ее несколько раз брали под стражу и отпускали. Впрочем, до поры до времени следователь Фененко относился к матери и сыну как к одним из многочисленных знакомых погибшего. Показания фонарщика Шаховского круто меняли ситуацию. Хотя Женя не подтверждал, что виделся со своим приятелем в день его исчезновения, следствие считало, что он скрывал правду из страха перед матерью. Чтобы пресечь вмешательство Веры Чеберяк, ее арестовали в один день с Бейлисом.

Но, изолировав мать, следствие не позаботилось о безопасности детей. В начале августа дети захворали. Женю положили в больницу с признаками дизентерии. Врач больницы говорил: «С каждым днем мальчик заметно слабел, и я видел, что надежды спасти его почти нет». 8 августа Веру Чеберяк выпустили из тюрьмы, и она вопреки уговорам врачей взяла сына домой. Полицейские не спускали с нее глаз. Сыщик Полищук рапортовал, что в бреду Женя произносил: «Андрюша, не кричи!» Сыщик также заметил, что когда мальчик приходил в сознание и пытался что-то сказать, мать закрывала ему рот поцелуем. Вечером Женя скончался, через несколько дней умерла его сестра Валентина.

Внезапная смерть детей горячо обсуждалась в прессе. Почти никто не сомневался, что главных свидетелей отравили. Расхождения были только при определении виновных этой трагедии. «Известно, что за дело взялся Союз русского народа. Стоит ли удивляться, что в результате получилось новое преступление?» — спрашивала либеральная газета. Черносотенцы в свою очередь проводили зловещее сопоставление: стоило арестовать Бейлиса, как потенциальные свидетели против него погибли.

В литературе утвердилось представление, что Вера Чеберяк отравила своих детей в страхе перед разоблачением. Конечно, она явно боялась, что ее сын о чем-то проговорится. Но дети заболели, когда она находилась под стражей, а мальчик был взят домой уже в безнадежном состоянии. Впрочем, гибель двух детей можно назвать внезапной, но никак не загадочной. 10 августа 1911 г. Киевский бактериологический институт провел исследование, не оставлявшее сомнений в смерти Жени от дизентерии.