在医院里，宋教仁一度清醒过来，知道生命将逝，嘱咐黄兴代笔，致电袁世凯：“北京袁大总统鉴：仁本夜乘沪宁车赴京，敬谒钧座。十时四十五分在车站突被奸人自背后施枪弹，由腰上部入腹下部，势必至死。窃思仁自受教以来，及束身自爱，虽寡过之未获，从未结怨于私人。清政不良，起任改革，亦重人道，守公理，不敢有一毫权利之见存。今国基未固，民福不增，遽尔撒手，死有余恨。伏冀大总统开诚心，布公道，竭力保障民权，俾国家得确定不拔之宪法，则虽死之日，犹生之年。临死哀言，尚祈鉴纳。”至死，宋教仁都在思考着制定神圣宪法、保障民权，正如他在民国建立以后，一直思考如何建立责任内阁制度、实行议会政治一样。他相信，西式的议会民主制能够给蹒跚前行的民国带来稳定和富强。就在全国普选圆满结束、离组建清一色的国民党内阁大展拳脚的目标近在咫尺的时候，暗杀夺走了宋教仁的生命，彻底终结了他的政治梦想。22日凌晨，宋教仁伤重而死。
宋教仁的死打乱了国民党的政治布局，沉重打击了南方革命力量。而且刺杀案发生在国民党经营多年的上海，就发生在国民党人的眼皮底下，这些都给了国民党人极大的刺激。曾任沪军都督的陈其美就在宋教仁遗体旁愤愤地反复说：“此事真不甘心！”
国民党人迅速行动起来，缉拿凶手。黄兴在宋教仁遇刺和逝世时都致电报告总统袁世凯，并且请求江苏都督程德全到上海亲自处理此案。袁世凯接报后，饬令程德全“目前总以购线缉凶、限期破案为第一要义”。宋教仁去世后，袁世凯当天即郑重发布命令，下令从优抚恤，料理后事，同时谴责暗杀之风违背人道，责成江苏政府“迅缉凶犯，穷究主名，务得确情，按法严办，以维国纪而慰英魂”。程德全则严令江苏军警缉拿凶手。黄兴、陈其美还联名分别致信上海闸北巡警局和公共租界总巡捕卜罗斯，悬赏一万银元，缉拿凶手。
凶讯一经传出，社会上就开始猜测幕后黑手是谁？北京政府判断宋教仁死于国民党内讧，比如袁世凯本人就在和章士钊的谈话中，认为宋教仁遇刺是国民党内黄兴、宋教仁两派争夺内阁总理的结果。也有人认为宋教仁是被盘踞上海多年、与会党关系密切的陈其美杀的。陈其美有暗杀陶成章的前科，难免不再犯一案。比如梁启超就断言：“真主使者，陈其美也。”但是梁启超本人也被列为嫌疑人之一。因为鼓吹“开明专制”的梁启超和坚持“责任内阁”的宋教仁存在巨大的政治分歧。而梁启超一派在年初大选中落败，难免不心怀怨恨。
当然，国民党内部绝大多数人怀疑袁世凯才是幕后主使。
这一切都得缉拿到凶手后才能一探究竟。
二
缉拿凶手的悬赏公告公布后，上海滩有个贩卖古董的小商人王阿发突然回忆起一件事来。
多日前，王阿发曾去“玩政治”的应桂馨家兜售字画。应桂馨拿出一张商务印书馆印制的明信片，给王阿发看。王阿发看清楚，明信片上印着的宋教仁的照片。应桂馨就对王阿发说：“我要办这个人，你要是能办到，我就给你一千银元。”王阿发没有答应，回去后和在别人家帮佣的朋友邓某谈起了这件事情。邓某对此事很有兴趣，答应要接这活。王阿发就把他带到了应桂馨的住处。面谈细节的时候，邓某却又打了退堂鼓，说：“我是一个外乡人，为什么要无故杀人呢？”事情没谈成，王阿发也就把这件事淡忘了，继续兜售他的古董字画。
宋教仁被杀一事在十里洋场传得沸沸扬扬后，邓某回忆起了原先的事，赶紧把经过告诉了主人张秀泉。张秀泉找到王阿发核实。王阿发这才意识到问题严重，找到与会党关系密切的何海鸣讨教对策。何海鸣将一干人等都带到了陈其美那里。
国民党人不敢怠慢，带了王阿发到租界巡捕房报案。
总巡捕卜罗斯核实案情后，和国民党人陆惠生、王金发，带人直扑应桂馨家。应桂馨不在家，去妓女胡翡云家抽鸦片烟去了。于是，巡捕和国民党人又赶到胡家，又扑了个空。应桂馨抽完鸦片，去妓女李桂玉家喝酒去了。一行人再次冲到李家。到了李家，陆惠生、王金发两人先上楼问：“应桂馨在吗？”应桂馨毫无防备，应声答道：“是我。”陆、王就说：“有人在楼下等你，要和你说话，请你下来一下。”应桂馨跟着二人下楼，立马被等候多时的巡捕逮住。
这是24日，宋教仁死后第三天，凌晨零点30分的事情。
巡捕马不停蹄押着应桂馨到他在法租界的家中搜查，只见应家门口挂着两块牌子，一块是：江苏巡查长公署，一块是：中华民国共进会机关部。原来，应桂馨还是江苏省巡查长和共进会的负责人。在应家查获了一批公文信件和一只铁箱。巡捕还守株待兔，扣留来访人员。巡捕扣留了一个身材短矮、神色可疑的人，恰好与凶案目击证人描述的凶手特征相符。经目击证人辨认后，确定此人就是刺杀宋教仁的凶手。法租界巡捕立即逮捕此人。
此人名叫武士英，对刺杀宋教仁一事供认不讳，并签字画押。宋教仁刺杀案就此告破。
根据相关人等的供述和从应加搜出来的资料，整个案子的过程如下：
应桂馨（即应夔臣、应夔丞），浙江宁波人，父辈在上海从事地产起家。应桂馨参加过辛亥革命，曾在南京临时政府担任庶务科长，负责机关伙食，因为贪污机关伙食费而被革职。回到上海后，应桂馨组织了带有会党性质的共进会，一度得到陈其美的支持。共进会曾参与策划武汉马队暴动，为此应桂馨的名字上了黎元洪的通缉令；会党的落后性，让共进会在江浙一带逐渐转到革命的对立面，对社会秩序多有扰乱。26为了处理共进会问题，北京内务部让秘书洪述祖南下弹压。
洪述祖，江苏常州人，秀才出身，在前清当过多年幕僚，是袁世凯六姨太的近亲。唐绍仪出任总理时，一度属意洪述祖为秘书长。但深入接触后，唐绍仪发觉洪述祖趋炎附势，人品不好，弃而不用。内务总长赵秉钧却喜欢洪述祖，让他在内务部挂职秘书。南下时，洪述祖年近60，仕途似乎要就此止步了，但是他还想谋求进步。与应桂馨打交道后，意识到应桂馨和共进会势力可以为己所用。于是，洪述祖表示愿意为应桂馨除罪，但应桂馨要安抚共进会，听命中央。应桂馨答应了。1912年10月16日，洪述祖将应桂馨引见给江苏都督程德全。会面后，程德全向袁世凯报告了安抚共进会的措施：任命应桂馨为驻沪江苏巡查长，控制共进会成员遵守法律，不许滋事；每月给予共进会3000元活动经费（江苏财政紧张，要求中央每月承担2000元）。袁世凯表示同意。12月，洪述祖安排应桂馨进京。应桂馨在北京先后受到总理赵秉钧、总统袁世凯的召见。袁世凯在财政极为紧张、连军饷都发不出的情况下，亲自发给应桂馨活动经费5万元。一个区区会党头目，受到总统如此器重，令人生疑。应桂馨小人得志，顿时轻狂起来，在北京出入酒馆妓院，举止异常阔绰，引起了革命党人的侧目。
1913年1月23日，洪述祖和应桂馨一起返回南京。2月6日，应桂馨在南京又一次见到了程德全。令程德全惊讶的是，第一次见到的那个言辞谦恭、诚惶诚恐、有问必答的应桂馨，现在变成了趾高气扬、说话闪烁的模样。应桂馨还拿出自己与中央的来往电文给程德全看，程德全莫辨真伪。对应桂馨的狂妄和炫耀，程德全很不高兴，赶紧打电报给总统府秘书张一麐，提请中枢注意：“应夔臣……万不可靠，从前电请大总统赦免，令其戴罪图功，乃是当时一种政策。近来颇有招摇僭妄情形……请中央注意。”事实上，洪述祖和应桂馨此行携带巨款，行动隐秘。一个阴谋已经展开了。
回到上海，应桂馨四处物色刺杀宋教仁的凶手，最后通过一个叫陈玉生的人，找到了武士英。武士英曾在云南新军中担任过营长，革命胜利后遭到裁撤，正在上海滩游荡，生活窘迫。陈玉生欺骗武士英加入共进会，并鼓动他“办一个无政府党的人，替四万万同胞除害”。武士英身陷困境又利令智昏，满口答应下来。陈玉生就将他带到应桂馨家，应桂馨向武出示了宋教仁的照片，并给了他1000元钱和一支五响手枪。
3月20日夜，陈玉生陪武士英来到沪宁车站，等宋教仁在众人簇拥下准备进站时，向武士英指名宋教仁，武士英随即上前开枪行凶，并趁人群慌乱之际逃逸。4天后，武士英到应家送信，不想自投罗网。
三
案情明晰了，接下去的问题是：谁是幕后主使？
洪述祖是赵秉钧的属下，而赵秉钧是袁世凯的亲信。考虑到宋教仁的责任内阁制度和国民党的选举大胜，最大的受害者都是现任总统袁世凯，袁世凯是幕后主使的嫌疑大大增加。而从应桂馨家中搜出来的书信和电报，很多也指向袁世凯和赵秉钧。其中最关键的是三份材料：
一、2月22日洪述祖给应桂馨的信。内容是：“（一）来函已面陈总理、总统阅过；（二）以后勿通电国务院，除巡缉长公事不计。因赵智老（赵秉钧）已将密电本交来，恐程君（内务部秘书程经世）不机密，纯全饬兄一人经理……（三）请款总要在物件到后，国会成立之时，不宜太早太迟。为数不可过30万，因不怕紧，只怕穷也。”
二、3月13日洪述祖给应桂馨的密电。内容是敦促应桂馨赶紧下手：“毁宋酬勋位，相度机宜妥筹办理。”
三、3月21日9点30分应桂馨给洪述祖的电报。“匪魁已灭，我军一无伤亡，堪慰。望转呈报。”
由材料一可以知道，应桂馨刺杀宋教仁是与洪述祖单线联系，由洪述祖下令的。那么，洪述祖是传递更高层意思（赵秉钧、袁世凯）的中间人，还是本身就是幕后主使呢？根据材料一，洪述祖似乎只是个中间人。1、洪述祖说，应桂馨的“来函已面陈总理、总统阅过”。2、是赵秉钧让洪述祖和应桂馨保持单线联系的。3、洪述祖向应桂馨许下的许多诺言，不是他这个级别（内务部秘书）的人能够操办的，比如赏钱30万元（材料一）、授予应桂馨勋位（材料二）。没有更高层人的点头，洪述祖的诺言只能是空头支票。由材料三可知，应桂馨认为自己是在为更高层的人办事，所以要求洪述祖将“战果”“望转呈报”。
假设，应桂馨知道刺杀宋教仁仅仅是洪述祖的意思，借他胆子他也不敢下手——因为他办完事后还要保命，没了命怎么去享受洪述祖的承诺呢？好在洪述祖将他引见给了赵总理和袁总统，应桂馨有理由相信是在为总统和总理办事——出了事上面有人罩着。
3月30日，北京国民党本部召开宋教仁追悼大会。赵秉钧派北京警察总监王治馨出席。王治馨在会上发言，为袁赵二人辩解。他认为洪述祖是刺杀宋教仁的主谋，与赵秉钧、袁世凯无关。但“袁总统不免疑赵，而赵以洪时往袁府，亦疑袁授意”。总统和总理之前都以为是对方授意洪述祖杀害宋教仁，但是前日赵秉钧和袁世凯面谈宋教仁案，双方才知道对方都没下令刺杀宋教仁。那么洪述祖为什么要痛下杀手呢？王治馨提供了一个解释：洪述祖见袁世凯受到行政权力的诸多掣肘，认为总统不能管理好国家全都因为反对党政见不同。他曾建议袁世凯“何不收拾一二人”，杀几个反对党人威慑其余。袁世凯没有答应：“反对者既为政党，则非一二人，故如此办法，实属不合云。”现在洪述祖刺杀反对党领袖宋教仁，“难保非洪藉此为迎合意旨之媒”。王治馨这个看法是私人观点。但作为政府高官，他的发言透露了一点：袁世凯事先知道洪述祖有刺杀宋教仁的念头。
如此一来，袁世凯成了杀害宋教仁的最大凶嫌。这也是舆论普遍的看法。黄兴在4月13日给宋教仁写的挽联就很有代表性：
前年杀吴禄贞，去年杀张振武，今年又杀宋教仁；
你说是应桂馨，他说是洪述祖，我说确是袁世凯。
案件侦破后，袁世凯为案件的审判设置了种种障碍，更让人觉得他做贼心虚，坐实了幕后主使的怀疑。江苏都督程德全指出，宋教仁案引起社会非议，暗潮汹涌，最好的解决方法就是进行公正的审判。但袁世凯政府在程序上“高度重视”的表现是，司法总长许世英说此案件关系重大，要求将人犯和证据提京交大理院公开审判。总统府秘书张一麐也致电程德全，希望迅速向上海方面索要证据，送入北京。袁政府的这种“提京审理”的要求遭到了国民党的强烈反对。既然袁世凯和赵秉钧都有重大嫌疑，怎么能将证据和人犯交给他们呢？而审判一旦转移到北京，袁世凯政府就掌握了主导权。所以，国民党坚持案子要在上海审判。
4月13日晨，程德全即电袁世凯及内务、司法两部，要求组建特别法庭，提议由伍廷芳为主任。袁世凯回电：“所拟组织特别法庭，望速筹办。”但许世英认为特别法庭与约法和政府编制不符，强烈反对组建。袁世凯于是复电程德全，说司法总长许世英拒绝副署组织特别法庭的命令，他无法下令组建。而许世英和司法部提出了一个折中方案，就是由伍廷芳暂时署理上海地方审判厅厅长，负责审理宋案。但是国民党方面没有接受这个方案。
4月24日，监狱里的武士英暴毙。这让怀疑袁世凯的人们情绪激动，对袁世凯政府阻挠案件审判更加不满。江苏都督程德全、民政长应德闳在强大舆论压力下，不得不影印公布了应桂馨和洪述祖的来往密电。舆论更加不利于袁世凯。
面对越来越不利的局面，赵秉钧和洪述祖分别公开为自己辩护。
4月28日，赵秉钧公开通电，逐一洗刷自己和应桂馨家中材料的关系。
赵秉钧的说法主要是两点：第一，自己的确认识应桂馨，但都是处理共进会的公事；第二，洪述祖干的事情自己完全不知道，洪述祖没有将任何电文呈送自己看过。洪述祖答应给应桂馨的酬劳（勋位和巨款），都是洪述祖私自承诺的，与赵秉钧无关。至于巨款，那是国务院提供给共进会的经费，用来“由日本购买孙黄宋劣史，警厅供抄宋犯骗案刑事提票”。（应桂馨的确在日本印刷了许多攻击孙中山和宋教仁等人的资料，运回国内散发。）所以，赵秉钧发誓：政府绝没有暗杀宋教仁之心，一切都是洪述祖个人“假政府名义，诳诱应犯，决非受政府之嘱托，以其毫无政府委任之凭证故也”。在将自己洗刷干净后，赵秉钧根据公布的3月13日应桂馨致洪述祖的密电，为洪述祖说情。应桂馨在那天的电报中有“若不去宋”四个字，“系属反挑之笔，尤见去宋之动机起于应之自动，而非别有主动之人，文理解释，皎然明白。此证明中央政府于宋案无涉者也”。据此判断，暗杀之心起于应桂馨。赵秉钧最后说，虽然宋教仁遇刺出乎政府意料，但是洪述祖毕竟是内务部秘书，内务部总长是他的上级，即便没有“代为受过之理由”，也有“怠于监督之责任”。
赵秉钧的电文表面上看起来合情合理，把自己洗得干干净净，但是透露出了政府早有反宋仇宋的行为，承认了应桂馨的“过激”行为多少是受政府反宋情绪的引导。
5月3日，逃到青岛租界躲藏的洪述祖也发出公开电报，自我辩护。