12 декабря 2019 года Юлия была арестована с Яной Дугарь и Андреем Антоненко по подозрению в убийстве украинского журналиста Павла Шеремета , произошедшего 20 июля 2016 года. Юлия Кузьменко с Андреем Антоненко, как утверждает следствие, могут быть идентифицированы как лица, задокументированные на видеозаписях камер CCTV на месте событий в ночь перед убийством, и по мнению следствия, они занимались установкой взрывного устройства под местом водителя в автомобиле Елены Притулы.

Украинские и зарубежные журналисты выразили скептическое отношение к представленным на пресс-конференции МВД доказательствам виновности задержанных лиц, а также относительно сформулированного следствием мотива преступления.

Согласно данным следствия, для идентификации подозреваемых, кроме КНИСЭ , был также привлечен специалист-криминалист из Британии по имени Айвон Бирч (en. Ivan Birch), специализирующийся на методике так называемого «криминалистического анализа походки» (en. forensic gait analysis ). По собственным данным Бирча, точность его методики составляет около 70 %. Ведущие специалисты-криминалисты из Нидерландов и Австралии вообще ставят под сомнение научную обоснованность «криминалистического анализа походки (en. FGA)» как способа идентификации подозреваемых.

На брифинге 12 декабря заместитель председателя Нацполиции Евгений Коваль также заявил, что в одном из телефонных разговоров Юлия якобы также заявляла о другой запланированной жертве, известной волонтере, добровольце и общественном деятеле Марусе Зверобой.

13 декабря дело Юлии имела место попытка снять дело с разбирательства из-за отвода скандального судьи Сергея Вовка. Но судебное заседание было проведено, и судья Сергей Вовк вынес решение по содержанию Кузьменко за решеткой до 8 февраля. Защита Кузьменко подала апелляцию.

20 декабря, после того, как суд не смог рассмотреть апелляцию защиты Кузьменко, спецназовцы без опознавательных знаков начали зачистку зала Апелляционного суда . Поклонники Кузьменко пытались не пустить вооруженных людей в зал, из-за чего произошла стычка. Впоследствии спецназовцам удалось вывести Юлию из зала. Во время столкновения был госпитализирован бывший командир 25 бригады Андрей Янченко , которому силовики сломали шею, кроме того у Андрея произошло нападение эпилепсии .

24 декабря Киевский апелляционный суд рассмотрел апелляцию защиты и оставил под стражей Кузьменко, несмотря на то, что ее просили отпустить на поруки 55 человек, в частности, участники АТО, военные капелланы, бывшие нардепы Оксана Корчинская , Николай Величкович и экс-министр охраны здоровье Олег Мусий .

2 января 2020 года по делу Шеремета проводили следственный эксперимент с Кузьменко. Владислав Добош , адвокат Юлии, назвал эти действия следователей (в частности, по фамилии Бирко) незаконными. Адвокат не получил материалов дела для ознакомления .

17 января защита врача Кузьменко повторно подала ходатайство об изменении меры пресечения. Судебное слушание, состоявшееся в Печерском суде 23 января 2020 года, было чисто техническим и рассмотрение ходатайства перенесено на 3 февраля 2020 года.

28 января 2020 года адвокат Кузьменко заявил, что следствие пытается продлить срок досудебного содержания подозреваемых под стражей еще на шесть месяцев, до июня 2020 года. Несмотря на постоянные протесты защиты, судья Виталий Писанец продлил срок ее содержания под стражей до 3 апреля. После допросов мамы, бывшего мужа и нескольких вероятных свидетелей, Печерский суд отказался выпускать из-под стражи Кузьменко под домашний арест.

6 марта Кузьменко отказалась от прохождения проверки на полиграфе из-за недоверия к государственным экспертам.

1 апреля суд продлил Кузьменко содержание под стражей до 30 мая, заседание проходило без наблюдателей из-за карантина. На закрытом судебном заседании 1 апреля врач Кузьменко обратила внимание суда, что в условиях эпидемии коронавируса она находится в двухместной камере, где ее сокамерницы регулярно меняются.

28 апреля Юлии был продлен арест до 30 мая. 26 мая арест был повторно продлен на два месяца.

10 июня Киевский апелляционный суд решил продлить содержание Юлии под стражей до 24 июля. В июле, когда прошло более 200 дней нахождения подозреваемых под стражей, у Кузьменко начались проблемы со здоровьем, в частности у нее появились сбои ритма сердца и проблемы с давлением. 16 июля Юлии был продлен арест по меньшей мере до 13 сентября.

27 августа с Кузьменко был снят электронный браслет для слежки.