Обстоятельства, при которых произошла дуэль, донельзя запутаны сбивчивыми, противоречивыми показаниями ее участников и лиц, близко стоявших к ним. Старались скрыть имена людей, замешанных в дуэли, ограничившись именами Мартынова, Васильчикова и Глебова, так как причастность к поединку должна была караться законом. Кроме того, Трубецкой хотел умолчать потому, что он приезжал из экспедиции на воды без разрешения. Меньше всего заботы было проявлено к самому Лермонтову. Врача не было. Расстояние, разделявшее противников, было крайне мало — 10 шагов; таким образом, стрелять надо было почти в упор.
Отмерив от барьера по 10 шагов, секунданты развели Лермонтова и Мартынова в разные стороны, условившись сходиться каждому на 10 шагов по команде "марш". А. И. Васильчиков рассказывает:
"Зарядили пистолеты. Глебов подал один Мартынову, а другой Лермонтову и скомандовали: "сходись". Лермонтов остался неподвижен и, взводя курок, поднял пистолет дулом вверх, заслонясь рукой и локтем по всем правилам опытного дуэлиста. В эту минуту, и в последний раз, я взглянул на него и никогда не забуду того спокойного, почти веселого выражения, которое играло на лице поэта под дулом пистолета, уже направленного на него. Мартынов быстрыми шагами подошел к барьеру и выстрелил. Лермонтов упал, как будто его скосило на месте, не сделав движения ни взад, ни вперед, не успев даже захватить больное место, как это обыкновенно делают люди раненые или ушибленные. Мы подбежали. В правом боку дымилась рана, в левом — сочилась кровь, пуля пробила сердце и легкие. Хотя признаки жизни уже видимо исчезли, но мы решили позвать доктора".
Разразилась гроза. По словам того же Васильчикова, он, Столыпин и Глебов остались у тела поэта, а Мартынов уехал к коменданту объявить о дуэли. Э. А. Шан-Гирей, напротив, сообщает, что при Лермонтове остался только Глебов, о чем он сам рассказывал ей. "Голова убитого поэта покоилась у него на коленях; темно, кони, привязанные, ржут, рвутся, бьют копытами о землю, молния и гром беспрерывно; необъяснимо страшно стало! И Глебов хотел осторожно спустить голову на шинель, но при этом движении Лермонтов судорожно зевнул. Глебов остался недвижим и так пробыл, пока приехали дрожки, на которых и привезли бедного Лермонтова на его квартиру".
Известие о смерти Лермонтова тотчас облетело городок. Близкие, знакомые и любопытные на следующий день толпились в небольшой комнате. Поэта положили на стол, в чистой рубашке, головой к окну. Дамы приносили цветы. Художник Шведе снимал с убитого портрет масляными красками.
В тот же день произвели вскрытие тела Лермонтова. Оно было произведено тем же врачом Барклаем де Толли, который за месяц назад выдал поэту медицинское удостоверение о необходимости лечиться на водах. В протоколе вскрытия указано, что Лермонтов от раны "мгновенно на месте поединка помер".
Местное духовенство, очень враждебно относившееся к поэту, не желало участвовать в похоронах. Когда после колебаний протоиерей Александровский согласился, получив санкцию от следственной комиссии, хоронить Лермонтова, другой священник, Эрастов, унес с собою ключ от церкви, и собравшиеся на похороны должны были ожидать около двух часов. Погребение состоялось 17 июля. В Пятигорске, как указывает Лорер, нашлись представители всех полков, в которых служил Лермонтов: "Полковник Безобразов был представителем от Нижегородского драгунского полка, я — от Тенгинского пехотного, Тиран — от лейб-гусарского и А. Арнольди — от Гродненского гусарского. На плечах наших вынесли мы гроб из дому и донесли до уединенной могилы кладбища на покатости Машука. По закону священник отказывался было сопровождать останки поэта, но деньги сделали свое, и похороны совершены были со всеми обрядами христианина и воина. Печально опустили мы гроб в могилу, бросили со слезами на глазах горсть земли, и все
Было кончено".
Люди, искренне расположенные к Лермонтову, были возмущены поведением Мартынова. Плац-майор Унтилов еще накануне похорон несколько раз выходил из квартиры Лермонтова к собравшимся на дворе и на улице, успокаивал и говорил, что "это не убийство", а честный поединок. "Были горячие головы, которые выражали желание мстить за убийство и вызвать Мартынова. Возбуждение вызвало затем и усиленную высылку молодежи из Пятигорска, по распоряжению начальника штаба Траскина".
Началось следствие, носившее чисто формальный характер. Участники дуэли сговорились назвать причастными к ней только двух секундантов и Мартынова, которые и были арестованы. Им разрешалось сноситься друг с другом, сговариваться по каждому пункту опроса властей. Защитники Мартынова распространяли известие о том, что он не умел стрелять из пистолета и поэтому выстрел его объясняли простой случайностью. Это наивное и явно ложное мнение поддерживалось в печати после смерти самого Мартынова. По существу оно является нелепым, т. к. невозможно допустить, чтобы кадровый офицер, служивший в действующей армии, принимавший участие в боях, не умел обращаться с огнестрельным оружием! Висковатов сообщает, что ему известно участие Мартынова еще в одной дуэли в Вильне, где он тоже стрелял, как на дуэли с Лермонтовым: "Быстро подойдя к барьеру, он, прицелясь, повернул пистолет и выстрелил, что назвал "стрелять по-французски", и тоже попал в своего противника".
Лица, не любившие поэта, враждебно относившиеся к нему, были удовлетворены исходом дуэли. Священник Эрастов, много лет спустя, с открытой ненавистью отзывался о Лермонтове: "Вы думаете, все тогда плакали? Никто не плакал. Все радовались ... От насмешек его избавились. Он над каждым смеялся. Приятно, думаете, насмешки его переносить? На всех карикатуры выдумывал. Язвительный был".
Один сановник говорил Висковатому: "В сущности он был препустой малый, плохой офицер и поэт неважный. В то время мы все писали такие стихи. Я жил с Лермонтовым в одной квартире, я видел не раз, как он писал. Сидит, сидит, изгрызет множество карандашей или перьев и напишет несколько строк. Ну, разве это поэт...".
Многие современники сводили все к одной причине: виною будто бы был несносный характер Лермонтова. Память поэта преследовалась цензурой; в печати сообщались глухие, краткие сведения о его кончине.
Передовое же общество с величайшей скорбью встретило весть о трагической ранней смерти поэта, явившегося достойным продолжателем Пушкина.
Белинский с негодованием и горечью писал под свежим впечатлением этой вести поэту Н. X. Кетчеру: "Лермонтов убит наповал — на дуэли. Оно и хорошо: был человек беспокойный, и писал хоть хорошо, но безнравственно, — что ясно доказано Шевыревым и Бурачком... Литература наша процветает, ибо явно начинает уклоняться от гибельного влияния лукавого запада — делается до того православною, что пахнет мощами и отзывается пономарским звоном, до того самодержавною, что состоит из одних доносов, до того народною, что не выражается иначе, как по-матерну.
В январе 1842 года последовало высочайшее постановление по делу о дуэли Лермонтова: Васильчиков и Глебов получили прощение (первый во внимание к заслугам отца, а второй по уважению полученной на войне тяжелой раны), Мартынова присудили к церковному покаянию в Киеве.
В апреле того же года, по ходатайству Е. А. Арсеньевой перед высшей властью, тело ее внука было перевезено в село Тарханы и похоронено в фамильной усыпальнице, рядом с прахом его матери.