Ввиду массового характера беспорядков в Степанакерте в область прибыла дополнительная следственная группа органов прокуратуры и КГБ. В связи с исключительно напряженным положением в Нагорно-Карабахской автономной области туда был направлен председатель КГБ Азербайджана Гейдар Алирза-оглы Алиев. Эта командировка продлилась около двух недель. В специальную следственную группу, созданную по линии КГБ, входили следователь следственного отдела КГБ майор А. Б. Арутюнов, старший следователь капитан А. А. Таланов, следователь старший лейтенант Р. А. Бахшалиев. Начальника областного управления КГБ освободили от занимаемой должности, назначив на его место сотрудника центрального аппарата КГБ республики Быстрова.

В качестве первого шага было арестовано 20 подозреваемых в жестоком убийстве 3 человек, надругательстве над их телами, организации в городе массовых беспорядков. Следствие по делу о беспорядках в Степанакерте продлилось около года. С помощью показаний многочисленных свидетелей и материальных улик воссоздана полная картина происшествия. Свидетель Мамед Мамедов в своих показаниях отметил следующее: «По просьбе Зарифы Мамедовой (жены Аршада Мамедова) я поехал с ней в Степанакерт. Она смогла пройти в зал, я остался снаружи. В парке собралось около 12 тысяч человек. Из кинотеатра послышались выстрелы. Я не смог увидеть, что произошло. Затем я увидел только, что к машине понесли окровавленные тела Аршада и Аламшада. Зохраб тогда сидел в машине. Ее перевернули и подожгли».

Согласно показаниям конвоира Малимонова, Амбарцум крикнул по-русски «огонь по цели!», т. е. «стреляйте в охрану обвиняемых». Весь процесс и все происходившее фотографировали несколько фотографов.

Командир конвоя Сергей Петросов говорил: «В парке собралось больше 10 тысяч человек. Беник Мовсесян давал кому-то распоряжения. После окончания чтения приговора нас и подсудимых стали забрасывать камнями и деревянными обрубками. В руках у Беника Мовсесяна был обломок стула. Он бил нас этим обломком. Из толпы по нам стали стрелять. Обвиняемые были еще живы. Я получил удар по голове железным прутом и потерял сознание».

Свидетельница Фатьма Мамедова показала: «Они убивали их (Аршада, Аламшада, Зохраба Мамедовых) с помощью побоев и пыток. Рядом стояли милиционеры. Я подошла к ним и сказала – не допустите этого, прекратите это варварство. Они сказали мне – убирайся отсюда, поднялись на верхний этаж и стали смотреть на происходящее оттуда».

Начальник управления пожарной охраны Гурген Цатурян рассказал следствию: «Нам не позволили сбить огонь с горевших тел. Касимова ударили, и он потерял сознание. А нас обзывали и угрожали нам».