4 февраля 1998 года за исполнение убийства задержан бывший начальник разведки ВДВ полковник запаса Павел Поповских, 20 февраля — бывший командир спецотряда спецназа ВДВ майор Владимир Морозов, 24 апреля — бывший десантник предприниматель Константин Барковский, 19 июля — заместитель Морозова майор Александр Сорока и замгендиректора ЧОП "Росс" Александр Капунцов, в январе 1999 года — еще один заместитель Морозова, майор Константин Мирзоянц. Всем им было предъявлено обвинение по ст. 102 УК РФ. 8 июля 1999 года Генпрокуратура завершила расследование. 4 февраля 2000 года дело направлено в суд.
9 ноября 2000 года прошло первое заседание Московского окружного военного суда по делу об убийстве Дмитрия Холодова. В ходе процесса в качестве свидетелей допрошены экс-министр обороны Павел Грачев, бывший командующий ВДВ Евгений Подколзин, журналисты Павел Гусев, Михаил Леонтьев и Владимир Молчанов. 29 мая 2002 года завершилось судебное следствие, 7 июня начались прения сторон. 26 июня Московский окружной военный суд оправдал всех обвиняемых "за отсутствием доказательств", отменил арест их имущества и освободил их из-под стражи в зале суда.1 декабря Генпрокуратура внесла в Верховный суд протест на оправдательный приговор, потребовав направить дело на новое рассмотрение. 27 мая 2003 года военная коллегия Верховного суда отменила оправдательный приговор на том основании, что судья генерал-майор Владимир Сердюков не дал оценку доказательствам, изобличающим подсудимых.
22 июля Московский окружной военный суд начал повторное рассмотрение уголовного дела. 17 мая 2004 года гособвинитель сняла с майора ВДВ Александра Сороки обвинение в убийстве.