У березні 1847 року за доносом провокатора Олексія Петрова діяльність братства була викрита,а члени товариства заарештовані.Напередодні цієї події у будинку на Подолі, власником якого був протоієрей Андріївської церкви Завадський, з'явився новий мешканець — дев'ятнадцятирічний Олексій Петров, студент юридичного факультету Київського університету св.Володимира. Батько Петрова, жандармський офіцер Михайло, помер рано, втім устиг виховати сина. Напівсироті постійно не вистачало грошей, часом він голодував, й тому мав доволі жалюгідний вигляд. Вірогідно, це стало однією з причин, що колезький секретар Микола Гулак, який мешкав у цьому ж таки будинку, вирішив посвятити Петрова у таємниці товариства.

Якось Петров почув, як гості Гулака, а це були поміщик Микола Савич, студент Олександр Навроцький і професор Микола Костомаров, вели мову про республіканський устрій Росії . Олексій познайомився з сусідом, виявив цікавість до теми, і Гулак схибив, він довірився йому. Повідомив малознайомій особі основи конспірації товариства. Зокрема, показав Петрову золоту каблучку, на внутрішньому боці якої були слова: «В ім'я св. Кирила і Мефодія». Крім того, Гулак розповів Петрову про засади й цілі товариства, прочитав «Закон Божий» і навіть дозволив його переписати. Згодом цей документ став одним з основних доказів обвинувачення. Що не дивно, адже там містилися несумісні з імперською ідеологією думки. Наприклад: «І пропала Україна — але так тільки здається»; «Лежить в могилі Україна — але не вмерла».

28 лютого 1847р.Олексій Петров з'явився у заступника куратора Київського навчального округу Михайла Юзефовича і зробив усний донос на членів братства. Сам Юзефович, котрий знав Костомарова, Куліша, був їхнім покровителем, тому зажадав від Петрова письмового доносу, сподіваючись, що той побоїться його зробити. Проте Петров не зламався і незабаром повернувся з детальним описом всього, що він довідався про товариство. Юзефович порадив студенту звернутися особисто до опікуна київського навчального округу — генерал-майора Траскіна (він знав, як важко потрапити до нього на прийом, тим паче звичайному студенту). Та Петров подолав усі труднощі і донос таки опинився на столі Траскіна. Той негайно відправив доповідну записку київському губернатору Бібікову. 17 березня 1847р. губернатор направив повідомлення про донос Петрова до сумнозвісного Третього Відділення, яке, зокрема, Герцен називав «центральною шпигунською конторою». Того ж дня шеф жандармів граф Орлов повідомив про це царя і отримав наказ заарештувати Гулака.

На момент доносу Гулак уже проживав у Санкт-Петербурзі і служив у канцелярії ради університету. Арешт відбувся у його помешканні. У Гулака вилучили вже згадувану каблучку. Під час обшуку він попросився до туалету, де спробував викинути рукопис. Але слідчі знайшли його: це був «Закон божий». Серед паперів Гулака знайшли листи колишнього вчителя петербурзької гімназії Куліша та колишніх студентів Київського університету — Білозерського і Маркевича. На допитах Гулак мовчав. Його помістили до камери-одиночки Олексіївського равеліну.

20 березня 1847року Петров у Києві робить повторний донос. Повідомляє, що студент Маркович також читав рукопис Гулака «Закон божий» і висловлювався позитивно щодо його змісту. Почалися арешти інших членів товариства. Коли жандарми прийшли до Костомарова, той сам пред'явив каблучку з написом. У квітні в Києві арештували Шевченка і відправили до Петербургу з усіма паперами та малюнками. У записах поета не знайшли жодних доказів його участі у таємному товаристві. Тоді чиновники Третього Відділення звернули увагу на зміст віршів Шевченка, особливо на «Сон». Затримали й інших учасників Кирило-Мефодіївського товариства.

Слідство у справі кирило-мефодіївців тривало з 18 березня до 30 травня 1847 року  в Петербурзі. Тоді ж Орлов представив Миколі I доповідь у справі, яку нарекли справою «Україно-слов'янського товариства». Найтяжче було покарано Тараса Шевченка, якого за особистим розпорядженням Миколи I, розгніваного карикатурами поета на свою дружину, віддали у солдати Окремого Оренбурзького корпусу на 10 років без права писати і малювати. На трирічний термін було ув'язнено у Шліссельбурзькі фортеці Миколу Гулака. Микола Костомаров перебував в ув'язненні один рік, а Олександр Навроцький — півроку у В'ятській тюрмі. Інших членів братства царський режим вислав у віддалені губернії імперії під нагляд поліції, заборонивши повертатися в Україну.

Діяльність братства достовірно висвітлена у різних публікаціях самих кирило-мефодіївців, а також у працях Олександра Кониського, Сергія Єфремова, Дмитра Багалія, Михайла Грушевського, Михайла Возняка та ін. Найповніше матеріали слідства та інші матеріали з історіїї товариства представлені у тритомному виданні «Кирило-Мефодіївське товариство».