“刺宋案”發生後，正在日本訪問的孫文聞訊，當即發出急電，“望黨人合力查明此事原因，以謀昭雪”。袁世凱得知此事後，感歎道：“國民黨失去宋鈍初，少了一個大主腦，以後越難說話。”遂命擬電報，擬優恤命令；黃興與陳其美各方聯絡，致函上海公共租界總巡捕房，懸賞萬元緝拿凶手；江蘇都督程德全通電全省：“如凶手就縛，當立予賞洋一萬元，通風報信、身充眼線因而拿獲者，給洋五千元”；滬寧鐵路局認為凶案發生在火車站內，有損鐵路局聲譽，也主動懸賞五千元緝凶。
上海地方檢察廳組織警力，對凶案現場進行了調查取證，盡管現場沒有人看清凶手的長相，但地方檢察廳通過細致的調查，還是初步得出了一些判斷。
首先，凶手行刺之時，距離宋教仁僅僅數步之遙，敢走得這麽近，一定不是宋教仁認識的人。其次，凶手既然與宋教仁素不相識，那他行刺宋教仁的原因，一定不是宿怨私仇。除此之外，凶手行刺時舉止從容，逃跑時方向明確，附近一定有藏身之處或接應之人。
地方檢察廳由此得出結論，該案是“為人買通行刺，故就性質而論，破案獲凶或非難事也”。
地方檢察廳雖然做出了破案或許並不難的判斷，但也完全沒有預料到，這件案子的破獲，竟然遠比想象中還要來得輕鬆。
第一條線索，出現於案發後的第二天，來自於六野旅館的旅客。
這位旅客向國民黨方麵舉報線索，說住在六野旅館十四號房的武士英行為舉止可疑。
據該旅客透露，武士英是山西人，麵目凶惡，身材短小，自稱是雲南軍隊的管帶，可是平時吃穿卻非常拮據，有時還會向旅館內的其他旅客借錢。
三月二十日上午，該旅客看見武士英引領幾個陌生人走進了六野旅館，進入了十四號房，想必是商談事情。不久後，這些陌生人便離開了旅館。
武士英把這些陌生人送走後，顯得非常高興，向該旅客借錢，說要出門去辦點事，但是沒有車費。
該旅客住在武士英的隔壁房，平時和武士英抬頭不見低頭見，不太好意思不借，於是借給了武士英小洋一角。
“這點錢不夠，”武士英卻說道，“我要去西門，路很遠的。”
該旅客於是又加了兩角，總共借給武士英小洋三角。
到了晚上八點左右，武士英返回旅館，找到該旅客，炫耀般地拿出幾十元錢，從中抽出一元，還給了該旅客。
“你何必還給我這麽多？”該旅客有些吃驚，也頗覺納悶，不明白武士英從何處得來了這麽多錢。
武士英卻得意洋洋地說道：“這點錢算什麽？過了今晚，我就是千元戶了。”說完他便離開了旅館。
武士英一夜未回，到了二十一日早上七點左右，才回到六野旅館，結清旅費，收拾好行李，急匆匆地離開了。
武士英這一係列奇怪的舉動，引起了該旅客的注意，但是他沒有多想。直到上午看見報紙上刊登出宋教仁遇刺的消息，他才聯想到武士英的行為，覺得其舉止甚為可疑，於是向國民黨方麵舉報了這一消息。
國民黨方麵得到這條線索後，沒有向司法當局報案，反而自行派出職業偵探，到六野旅館核實了這條線索，然後追查武士英的去向。
到了二十三日，第二條線索出現了。
第二條線索，來自於法租界巡捕房的華探督察長黃金榮。
二十三日這天，有一個名叫王阿發的古董商來法租界巡捕房舉報，說幾天前他到小西門外應桂馨的家中兜售古董和字畫，應桂馨卻拿出一張照片，叫他把照片上的人“辦”了，如果能夠完成任務，便付給他酬洋一千元。王阿發當然不敢做殺人的勾當，於是急匆匆地離開了應家。“刺宋案”發生後，王阿發見報上刊登的宋教仁的照片，與當日應桂馨拿出的照片上的人，竟然是同一個人。他思慮再三，還是覺得應該把此事說出來，於是跑來巡捕房報案。
黃金榮沒想到“刺宋案”竟然能和應桂馨扯上關係。
當日天口賭台圍殺黃金榮失敗後，應桂馨急匆匆地趕赴南京，就任總統府庶務科長。但是不久之後，他因與人持槍械鬥，被調任到下關兵站任差，隨後又遭解職。離職後的應桂馨希望東山再起，南京方麵不肯用他，他就索性召集一些青幫的舊部兄弟，組建了共進會，自任會長，不久後又攀附上了江蘇都督程德全，由程德全電薦給北京政府。應桂馨奔赴北京，在北京待了一個月，其間由內務部秘書洪述祖牽線，先後受到國務總理趙秉鈞和大總統袁世凱的接見，被委任為江蘇駐滬巡查總長，這才又大搖大擺地返回上海。
黃金榮和應桂馨舊仇頗深，但是應桂馨就任江蘇駐滬巡查總長，可謂今非昔比，所以盡管知道應桂馨回到了上海，甚至耀武揚威地住在法租界裏，黃金榮卻拿他沒有任何辦法。
俗話說三十年河東三十年河西，黃金榮深知眼下時局動**，應桂馨今朝得勢攀上了高枝，保不準明天便跌落穀底成了落水狗，到時候再收拾應桂馨不遲。隻是他沒有想到，這一天來得竟如此之快，僅僅過去了幾個月，“刺宋案”便發生了，而應桂馨則被人舉報，和這件轟動全國的大案扯上了關係。
有這樣的機會，黃金榮當然要好好地借題發揮。
黃金榮立刻將這一線索報告給國民黨方麵，然後派華探喬裝打扮，去應桂馨府上打聽應桂馨是否在家。抓人要抓現成的，他要確定應桂馨在家，才會帶巡捕前去實施抓捕。打聽消息的華探很快回來稟報，說應桂馨不在家中，而是去了公共租界迎春坊一個名叫李桂玉的妓女家中過夜。黃金榮當即聯係公共租界巡捕房。雖說是深夜，可事關“刺宋案”，所以公共租界巡捕房立刻派巡捕趕到李桂玉的住處，將應桂馨抓了個現成。
因為有機會將應桂馨拉下馬，所以黃金榮不像以往處理公事那般磨磨蹭蹭，而是變得雷厲風行。得知應桂馨被抓捕的消息時，天才剛剛亮，黃金榮立刻率巡捕趕往應桂馨的府上，封鎖各處出口，衝進應家大肆搜查，希望能找到一些與“刺宋案”相關的證據。
應桂馨家中一些人已經起床。黃金榮一進門，便大吼一聲：“全都不許動！”嚇得幾個起早的人驚慌失措，站在原地一動也不敢動。
在這些紋絲不動的人當中，一個身材矮小的男子，卻突然拔腿就跑。
黃金榮立刻帶人追趕。
矮小男子逃到應家後院，準備翻牆逃跑。
黃金榮追得最快，一個箭步躥上去，將兩隻懸空的腳抓住，把矮小男子從牆頭上拉扯下來。眾巡捕一擁而上，迅速將矮小男子製服。
這矮小男子正是武士英。
黃金榮命眾巡捕仔細搜查應家，最後從武士英的房中搜出了一把六響手槍，槍內尚有三顆子彈，事後經過比對，其規格與射殺宋教仁的子彈完全一致。除此之外，黃金榮還從應桂馨的房中搜出了一疊電報，全都是與洪述祖往來的密電，事後又在上海電報局查到了相應的電報底稿。
在這些密電當中，第一份是應桂馨在三月十三日發給洪述祖的，電文道：“功賞一層，夔向不希望。但事關大局，欲為釜底抽薪法。若不去宋，非特生出無窮是非，恐大局必為擾亂。”應桂馨又名夔丞，電文中的“夔”字，指的正是他自己。
十四日早上，應桂馨又給洪述祖發去一份密電：“梁山匪魁，頃又四處擾亂，危險實甚。已發緊急命令，設法剿捕，乞轉呈，候示。”
十八日下午，洪述祖密電應桂馨：“寒電應即照辦。”
十九日，洪述祖又致電應桂馨：“事速照行。”
二十一日淩晨兩點十分，即“刺宋案”發生三個多小時後，應桂馨發電向洪述祖報告：“廿四十分鍾，所發急令已達到，請先呈報。”
二十一日上午九點，應桂馨給洪述祖發去了最後一份電報：“號電諒悉。匪魁已滅，我軍一無傷亡。堪慰，望轉呈。”
手槍和電報的出現，已是鐵證如山，凶手武士英和應桂馨雙雙被緝拿歸案，“刺宋案”就此告破。
此時距離案子發生，僅僅過去了三天而已。