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3月21日下午2时，上海地方检察厅派检察官危道济、录事陶中牧、法医王长春三人到沪宁车站，由车站袁站长等陪同到发案地点查勘现场，并对发案时在场人员进行访问。
调查后，查勘人员归纳有几点看法：
凶手行刺时，距离被刺者仅几步之远，凶手必为陌生面孔，不怕被人认识；
凶手系素不相识之人，施行这种残忍暗杀手段，行刺者与被刺者绝非出于私人仇恨；
刺客开第一枪即击中目标，随即匍匐地上，向左、右连放两枪，以恐吓追捕者，观其行为，乃为有经验的行刺者；
行刺时，刺客态度从容，估计周围经过部署，附近必有同党掩护；
刺客行刺后，带着手枪逃跑，不怕罪证在身，附近必有接应的人或可以依托隐藏的地方。
根据这些情况，检察官和查勘人员推定刺客是被人收买而行刺的。
3月23日，上海地方检察厅检察官王言纶与法医王长春前往沪宁铁路医院，访问了有关医生，由外籍医生克尔品写出验伤证书，证明宋教仁原来身体健康，别无他病，确系因被枪击，伤及小腹与大肠而死。
宋教仁被刺后，报上刊登了新闻及宋氏照片，人心甚为悲愤，各界均密切注意缉拿凶犯的事。
3月23日，有一个卖古董字画的商人，名叫王阿法，到英租界捕房向卜总巡报称：一周以前，因卖字画曾去小西门外江苏巡查长应夔丞家，应问我生意如何，我告之生意清淡。应即拿出一张照片，要我谋办照片上的人，愿出酬金1000元。我不愿干此昧良心的事，未曾应允。宋教仁被刺后，我见各报刊登宋的照片，与应给我看的照片上的人相同，特来报告。
又有住在宝善街六野旅馆的一位旅客到租界捕房反映：有一旅客名叫武士英者，身材短小，面容凶狠，以售花瓶为名，亦住此旅馆。该人经济拮据，时常外出向人请求接济和资助。20日午前，有冯某数人来到旅馆与武士英窃窃耳语。冯某数人走后，武士英向我商借车资。我拿出小洋一角，武讲不够，并称要去西门，路甚远。我遂借给小洋三角。晚8时许，武回旅馆，身上换穿了崭新的西装，手中拿着钞票一叠几十元。武随即取出一元钞票还给我，我说不需这么多，准备找回七角，武讲不必，现已有钱，事成尚有千元。当时我怀疑武某有精神病。21日宋先生被刺消息传出，我遂注意武某，20日夜，武某未回旅馆住宿，21日早晨7时，武来旅馆结清账目，已悄悄离去。因其行止可疑，故来报告。
英租界捕房卜总巡率领多名巡捕，于23日晚迅速行动。先派员去应夔丞的相好妓女胡翡云家询问，胡家人称应夔丞未去她家，现在迎春坊三弄李桂玉家吃酒。卜总巡乃带领众人于晚12时许抵达湖北路迎春坊三弄，先将该弄各口派人把守，以防逃窜。继则派随同来的国民党特派员上楼，问应夔丞君在否，有人与你谈话。应夔丞随某君下楼，走到门口，巡捕将他扭获。
应夔丞是何人？原来他在上海尚有点名声。他字贵兴，后改桂馨，系浙江宁波人。其父应文生经营土地买卖，赚了大钱，在新北门外文元坊盖了大片房屋。应夔丞早年给上海县黄知县做干儿子，倚仗权势，狂嫖滥赌，为所欲为，在当地干过不少坏事。革命初期，应忽投身革命队伍，混得沪军政府谍报科长一职。南京临时政府成立，应随护卫军队从沪来宁，曾代理总统府庶务长职务，因不守纪律，擅自作威作福，不久即被解职。应夔丞回到上海家中，无所事事，乃纠集帮会人员组织共进会，自称“大”字辈，垫付了一些钱财，充任会长。后通过关系，经江苏都督程德全委任为江苏巡查长。应夔丞本性难移，继续干了一些不安分的勾当。
这晚，应夔丞被西探总目等人拿获，带到租界捕房内，关押了一夜。
3月24日天明，卜总巡押着应夔丞，会同法租界捕房蓝总巡，率领探捕共同到新北门外文元坊应的住所搜查。应的门首悬着金漆招牌，长而大的牌上书“江苏巡查长公署”，另外一牌则书“中华民国共进会机关部”字样。卜总巡到了门前，即分派巡捕多人，各处把守，入室一一搜查，找出公文信件甚多，一时来不及仔细审阅，统搬入箱内，由法总巡亲手加封，移解捕房。
同时对应宅全部居住的人查验身份，将其家中男、妇及来客共26名，逐个讯问。后索性将所有男人17名都带到法捕房；所有女眷，无论主客，均软禁于楼上小房间中，由法巡捕看守。
上海新北门外，系法国租界，一切案件应归法巡捕房处理，所以英总巡搜查应家，必会同法总巡共同进行。
应宅男客至法捕房后，总巡分别讯问，见一个穿新西服，说山西话的矮个子，有些不伦不类，极为可疑。乃派人至沪宁车站，将曾见凶手面目的车站服务人员和住六野旅馆曾揭发武士英的旅客，觅来捕房，两人均称，如见到该人面目，尚能辨识。遂将所拘人犯，命两人逐一细认，看到身穿新衣的矮个子，两人惊喜交集，对总巡说：“就是他！就是他！”吓得那人面如土色，急忙把头垂下，口中喃喃自言：“姓武名士英，山西龙门县人，曾在云南任七十四标二营管带，因与应夔丞认识，来其家中探望，并没有暗杀等情。”法总巡哪里肯听其胡言，当然把武拘住，并继续审讯。武士英当即供认于两月前来上海，住金台六野旅馆，经人介绍与应夔丞相识，应允给武1000元，拿出宋的照片，使之行刺，先付给武30元。武贪财而效命，亦不知宋为何人。那天武枪击宋教仁后，当即坐人力车逃到应夔丞家。应闻知后非常高兴，即于23日晚间，邀他到迎春坊李桂玉家吃酒，同座客人均招妓女侍宴。未久，妓女胡翡云亦应召到来。胡女刚入席，即有巡捕将应夔丞拘去。胡女与应素有感情，自愿去应的家中报信，武士英见状，亦愿同去。两人入了应宅，即为捕房巡捕所阻，不准出门。3月24日天明，英、法两总巡来到，胡女被驱到楼上软禁，武犯即被擒获。
3月25日下午2时，法捕房蓝总巡率领人员至新北门外文元坊北弄2号应的住宅进行第二次搜查。这次搜查房屋两间，得公文凭据甚多，并搜得贴有封条的皮箱一只及五响手枪一把。该枪内尚存子弹两粒，未曾放出。捕房拿案发日从车站拾到的弹壳两枚，与枪内所存子弹相验，均为同式，乃为极重要的证据。武士英出售的花瓶，亦在应宅发现。
3月26日下午2时30分，英捕房卜总巡命西探头目安某会同法捕房蓝总巡等，至应夔丞家第三次搜查证物。这次搜查极为仔细，又搜获手枪一支及子弹10余粒，暨共进会簿据数本，皆有入会人名，并记载该会秘密事项。
江苏都督程德会闻悉行刺凶犯武士英、主使凶犯应夔丞均经拿获，复从应的家中搜出了大量罪证，特令英、法两公堂谳员（审判官）关炯之和聂襄及上海地方检察厅陈厅长认真审理，务必查明确实情况，穷究同谋者，为死者雪冤。又授意谳员，此次从应家检获的共进会入会人员签名簿等，系与犯案无涉，免予牵连。凡关于犯案的信函证据，应即检核，以为法律准绳。
程都督鉴于应夔丞系共进会会长，其会中人咸欲代应设法卸罪，外间谣言纷起，曾面谕各水师统领通告商民，勿信谣言。一面令部队加意防范，防止坏人乘机活动。