Прижатый неопровержимыми доказательствами в виде писем, Орлов сдался и подтвердил, что действительно с 1835 года состоял в любовной связи с женой исправника. К тому времени следствие вышло на человека, который стрелял в исправника, мещанина Ларионова, утверждавшего, что его подговорили на убийство Орлов и Васильев, пообещав за это пять тысяч рублей. Однако те упорно настаивали, что никакого отношения к убийству не имеют. Не помогли ни очные ставки, ни повторные попытки увещевания батюшки, который усердно помогал следствию.

Когда Орлов узнал, что Наталья Пахомова арестована, он прекратил отвечать на вопросы следствия и потребовал перевода его в Иркутск, заявляя, что даст показания лично генерал-губернатору. Никакие угрозы и убеждения на него не действовали. Условия содержания поручика на гауптвахте были таковы, что он заболел цингой и четыре месяца пролежал в местном госпитале.

Неизвестно, сколько бы всё это тянулось, если б не приезд в Охотск капитан-лейтенанта Николая Александровича Васильева, адъютанта светлейшего князя Александра Сергеевича Меншикова. Однофамилец стряпчего с чрезвычайными полномочиями побывал на Камчатке, где разбирался с многочисленными жалобами на местное начальство, и возвращался через Охотск в Петербург. Какие слова нашёл он для Орлова, неизвестно, но ему удалось то, чего не могла добиться комиссия, продержав его десять месяцев в ужасных условиях.

Поручик письменно признался в том, что однажды, находясь в гостях у Пахомова, влил ему в стакан с пуншем, но только не яд, как утверждал один свидетель, а опиум, чтобы тот уснул. Для чего, понятно. Но самое главное, он подтвердил, что подговорил Ларионова убить исправника.

Спустя три дня Орлов написал письмо капитан-лейтенанту Васильеву, похожее на исповедь. Вот оно, это письмо:

«Милостивый государь, Николай Александрович!

Я не хотел нарушать священного союза и старался скрыть любовь в душе, но да будет судьею тому Бог, разжегши таившуюся искру любви, которая вовлекла к гибельнейшим последствиям. Но поистине клянусь, я не был враг душою против себя подобного, не могу винить никого, но вполне виню себя. Первый я вовлёк невинную слабую жертву в ту же страсть, чему способствовало принуждённое супружество. Первый год, хоть и предавшись всей силой страсти, но надеялся я истребить уходом на зимовку на Курильские острова. Судьба определила противное, и вторичная зимовка в Охотске усугубила в полном смысле моё несчастие. Я хотел скрыть все последствия гибельной страсти, но беседа с Вами, милостивый государь, убедила меня в противном, чему я был не чужд, ибо до минуты признания терзала меня совесть. Не знал, на что решиться, слова Ваши врезались в душу, повинуясь всей силе законов…

Сознаваясь в преступлении, очищаю перед Богом и законом совесть, но надеясь на милость государя императора и на сострадание его светлости Александра Сергеевича.

Вот всё, что могу сказать ни к оправданию себя, ни к обвинению других, ибо я один виновник был и есть всему, чему гибельная страсть была причиною, не предвидя всего ужаса последствий.

Имею честь быть с истинным глубочайшим почтением, Ваш, милостивый государь, покорнейший слуга, Дмитрий Орлов».

Капитан-лейтенант уехал в Петербург, довольный. По делу об убийстве Пахомова арестовали шесть человек. И хотя в своих рапортах Головнину Орлов брал всю вину на себя, всех остальных этим он от ответственности не спас, и вряд ли тот же стряпчий оценил его «благородство».

Подвергнутая интенсивным допросам Наталья Пахомова после того, как ей предъявили признание Орлова и письма, которые она ему адресовала, призналась, что убила мужа. Видя, что Пахомов быстро поправляется, она не сомневалась, что исправник, сжигаемый чувством мести, докопается до организаторов покушения и Орлову грозит смертельная опасность. Уговорив лекарского помощника дать ей мышьяк, она подмешала порошок в кисель и дала его мужу, после чего тот вскоре скончался.