Bombaların bulunması üzerine Ümraniye Savcılığı başlattığı soruşturmaya görevsizlik kararı vererek dosyayı terör soruşturmalarına bakmakla görevli Özel yetkili İstanbul Cumhuriyet Başsavcılığına gönderdi. Dönemin özel yetkili İstanbul Cumhuriyet Başsavcı Vekili Turan Çolakkkadı 13 Haziran 2007 de, 15-20 Kasım 2003 te İstanbul'da meydana gelen bombalı saldırıların finansörü olduğu iddia edilen Louai Sakka ile o dönem terör örgütü El Kaide ye yönelik soruşturmalara bakan Cumhuriyet savcısı Zekeriya Öz'ü soruşturma ile görevlendirdi.
İddianamenin hazırlanması beklenirken Savcı Öz'ün talimatı ile Ocak 2008'de Emekli Tuğgeneral Veli Küçük, eski Yüzbaşı Mehmet Zekeriya Öztürk, avukat Kemal Kerinçsiz, Sami Hoştan, Drej Ali lakaplı Ali Yasak, Fikri Karadağ, Sevgi Erenerol, Hüseyin Görüm ve Ümit Oğuztan'ın da aralarında bulunduğu bir çok kişi gözaltına alınarak tutuklanmıştı. Soruşturmanın büyümesiyle beraber Başsavcılık, Cumhuriyet Savcıları Mehmet Ali Pekgüzel ve Nihat Taşkın'ı da soruşturmayla görevlendirdi.
Yapılan 5. dalga operasyonun ardından iddianamenin yazılmasına ağırlık veren Cumhuriyet Savcıları bir yandan ise alınan ifadeler ve ele geçirilen belgeler doğrultusunda 1 Temmuz 2008'de Eski Jandarma Genel Komutanı, Atatürkçü Düşünce Derneği Genel Başkanı Orgeneral Şener Eruygur, eski 1. Ordu Komutanı emekli Orgeneral Hurşit Tolon, dönemin ATO Başkanı CHP Milletvekili Sinan Aygün, Cumhuriyet Gazetesi yazarı Mustafa Balbay gözaltına alındı. Eruygur, Tolon ve Aygün tutuklanmış Balbay ise serbest bırakılmıştı. Balbay daha sonra Mart 2009'da alınan ek ifadesinin ardından tutuklanmıştı. Dönemin ATO Başkanı CHP Milletvekili Sinan Aygün avukatlarının itirazı üzerine bir hafta sonra serbest bırakılmıştı. Soruşturmanın ilerleyen aşamalarında Eruygur ve Tolon da serbest bırakılmıştı. Tolon dava aşamasında tekrar tutuklanmıştı.
Davanın ilk duruşmasına gösterilen yoğun ilgi nedeniyle duruşma salonunun yetersiz kalmasıyla Mahkeme kararı ile Silivri Cezaevi giriş kapısının yanı başına yeni bir bina inşa edildi. İnşa edilen bina içerisine 250 sanık, 350 izleyici ve 200 avukat kapasitesine sahip büyük duruşma salonun yanı sıra baro odası ve yemekhaneye de yer verildi.
Ergenekon soruşturmasına ilişkin 19 Eylül 2008'de yapılan 7. Dalga operasyonunda eski Ülkü Ocakları İstanbul İl Başkanı Levent Temiz, 'Sisi' lakaplı Seyhan Soylu, sanatçı Nurseli İdiz'in de aralarında bulunduğu 11 kişi gözaltına alındı.
Ankara ve İstanbul'da 24 Ocak 2009 düzenlenen operasyonlarda ise Türk Metal Sendikası Genel Başkanı Mustafa Özbek, araştırmacı Erhan Göksel, Elazığ Emniyet Müdürlüğü Özel Harekat Şube Müdürü Ayhan Atabek ve Emniyet Amiri Servet Kaynar'ın da aralarında bulunduğu 11'i polis 8 muvazzaf subay 26 kişi gözaltına alınmış Mustafa Özbek, 10 polis ile muvazzaf subaylardan 7'si tutuklandı.
Mahkeme 30 Aralık 2011 tarihinde Başbuğ hakkında İstanbul Cumhuriyet Başsavcılığına suç duyurusunda bulunuldu. Başbuğ, hakkında başlatılan soruşturma kapsamında 6 Ocak 2012 tarihinde tutuklandı. Başbuğ hakkında 'Türkiye Cumhuriyeti hükumetini ortadan kaldırmaya veya görevlerini yapmasını kısmen veya tamamen engellemeye teşebbüs' ve 'Terör örgütü yöneticisi olmak' suçundan da ağırlaştırılmış müebbet hapis ve 15 yıldan 22,5 yıla kadar hapis cezası istemiyle iddianame hazırlandı. Bu iddianamenin de Ergenekon davası ile birleştirilmesi üzerine Başbuğ da Ergenekon davası sanığı oldu.
Danıştay saldırısının yanı sıra aralarında irtibat bulunduğu gerekçesi ile 'Cumhuriyet gazetesine Molotof kokteyli atılması', 'Fener Rum Patriği Bartholomeos'a suikast iddiası', 'Sivas Ermeni cemaati lideri Minas Durmazgüler'e suikast planı'na ilişkin 2 ayrı iddianame, avukat Yusuf Erikel ve yayıncı Hayri Bildik'in aralarında bulunduğu ve kamuoyunda 'Kayseri Ergenekon'u' olarak bilinen 8 sanıklı dosya da Ergenekon dava dosyasıyla birleştirilen 23 dosya arasında yer aldı.
Birinci ''Ergenekon'' davasının sanıklarından olan Cumhuriyet Gazetesi'nin eski imtiyaz sahibi ve başyazarı İlhan Selçuk dava kapsamında savunmasını yapamadan 21 Haziran 2010'da hayatını kaybetmişti. Sanıklardan Engin Aydın ve Murat Özkan da yargılama aşamasında hayatlarını kaybettiler.
Hakimler ve Savcılar Yüksek Kurulu (HSYK), daha sonra mahkemenin en kıdemli üyesi Hasan Hüseyin Özese'yi Şengün'ün yerine başkan olarak yetkilendirdi.
Tanıkların 120 celsede dinlenildiğini belirten mahkeme, normal bir yargılamada 120 celsenin ancak 10 yıllık bir sürede görülebileceği ifade edilmişti.
İsmini açıklayan gizli tanık 9'un ise davanın sanıklarından Osman Yıldırım olduğu görülmüştü.Bu iki ismin tanıklığına sanık ve avukatlar tarafından itiraz edilmişti.
Mütalaada, yargılama aşamasında ifadeleri alınamayan firari sanıklar eski İstanbul Büyükşehir Belediye Başkanı Bedrettin Dalan, eski Milletvekili Turan Çömez, emekli Tümgenerel Mustafa Bakıcı ve Saipir Deblebidze'nin dosyasının ayrılması istenildi.