袁世凯做梦也想不到这件刺宋案只是三四天就被破获。
宋死后的当天，黄兴和陈其美就联名致电上海的闸北警局和上海租界总巡捕，请其加紧侦探，缉捕凶手。当时上海电报局局长吴佩璜，是奉陈的命令担任情报工作的同志，陈令吴详查各方来往电报，发现了不少线索。同时有一个买卖古董字画的河南人王阿发前往四马路中央捕房报案，遂使这一骇人的政治谋杀案水落石出，真相大白。王在捕房说：
“十天前我在文元坊应桂馨的家里兜卖古董，因为应是我的老主顾，平素很熟，应这天拿了一张照片叫我在某时某地把这个人暗杀掉，许以事成之后给我一千元作报酬，我因为只懂得作买卖，从没杀过人，因此不肯承担这件事。当时我并不知道照片上的人是谁？今天我在报上看见宋先生的照片，正是应桂馨叫我去暗杀的人，我相信如果找到了应，便可找到凶手。”
上海捕房根据王阿发提供的线索，于3月1日派侦探到湖北路迎春坊228号妓女胡翡云（原名李桂红）的家中捉到了应桂馨。第二天继续搜查文元坊的应宅，又在宅内捉到了正凶武士英，就是他在车站开枪狙击宋的，同时又搜出应桂馨和内务部秘书洪述祖往来的密电本及函电多起，五响手枪一支，还有其他证据多件。从这些证件中证明：
杀人的主使者是大总统袁世凯，同谋犯是国务总理赵秉钧，担任联络的是内务部秘书洪述祖，布置行凶的是上海大流氓应桂馨，直接行凶的是失业军痞武士英。
根据江苏都督程德全、民政长应德闳后来制版公布的刺宋凶手铁证，有以下各种，足以证明上面几个人与宋案有关：
一、民国二年一月十四日赵秉钧致应函：密码送请检收，以后有电，直寄国务院可也（外附密码一本，上面注明国务院应密，民国二年一月十四日）。
二、应寄赵的“应密冬电”内有：民党主宋任总理。已由日本购孙、黄、宋劣史，印十万册，拟从横滨发行。
三、民国元年二月一日，洪述祖致应桂馨函：大题目总以做一篇激烈文章方有价值也。二月二日洪致应函：弟须于事前迳电老赵索一数目。
四、洪称应为弟，应称洪为荫之老伯。
五、二月四日洪致应函：冬电到赵处，即交兄（洪自称）手，面呈总统，阅后颇喜，说弟颇有本事，既有把握，即望进行。
六、二月廿二日洪致应函：来函已面呈总统、总理阅过。以后勿通电国务院，因智（称赵秉钧）已将密本交来，统归兄一人经理。
七、三月十三日洪致应电：毁宋酬勋位，相度机宜，妥筹办理。
八、三月十四日应致洪“应密”寒电：梁山匪魁四出扰乱（按此系指宋在各大城市演说指责袁世凯），危险实甚，已发紧急命令设法剿捕之。
九、三月廿一日应致洪“川密”个电：匪魁已灭，我军无一伤亡。
刺宋案破获得如此迅速，绝非袁世凯所想得到，主要原因由于案子发生在上海，不是在袁势力下。袁在此以前也使用过好多次政治暗杀，都得心应手，死无对证，除了辛亥年吴禄贞被刺一案前面已经提过而外，泄露在外的还有这么两则：
一是在南北和议成立后，革命志士罗明典、吴定安联名发表告国人书，揭破袁的政治阴谋，不久有人到旅馆去拜访他们，表示敬意，以后便经常请他们吃酒看戏，一连有一星期之久。有一天那人又约了另一个人来，请他们在齐化门外二闸观水，他们四人分别乘两部马车前往，走到城外荒僻地点，那两个人抽出刀子把罗、吴二人杀害后抛尸而去。吴定安的朋友帅根坤找到了两人的尸体，即向法院控告，法院置之不理。
另一则是清末年，河南人曾广福兄弟四人，因为上书摄政王载沣被递解回籍，民国成立后又因反袁再被递解回籍，途中遭人暗杀，尸体没有下落。
上述这类暗杀，因为被杀的人没有背景和社会地位，所以死了不为人所关心。宋教仁不同了，他是赫赫有名的革命领袖，又是国民党的领导人，他遭暗杀当然被全国甚至国际上所注意的。
依照前述的刺宋证据看来，袁刺宋不仅事先知道，且与赵秉钧共同制定了暗杀计划，通过洪述祖物色到应桂馨。应是个流氓头子，洪于1月14日发给应一本密码电本“应密”，令应直接和国务院通电联系，后来因为赵太忙，乃派洪述祖到上海和应接头。洪赴上海接洽毕回到北京，把经过报告袁和赵，袁答应“毁宋酬勋位”，洪电应以后电报由洪转，不要直接向国务院联系，怕国务院人多嘴杂，容易把机密文件泄漏。洪给应电报中要他作一篇“激烈文章”，就是催应提前动手的隐语。