既而有广东〔五马〕路六野旅馆之寓客来告曰：有旅客曰武士英者，寓该馆有日，其境甚窘，屡告侨于同居之客。前宋先生被刺之两日，有人来与武作耳语，武忽有喜色。及其人既去，武即向此客假车赀，客与以小洋壹角。武少之，曰：lsquo;余此行将往西门，路甚长，区区恐不敷所需。客乃益以小洋贰角。武因人力车去。比其返，则衣履一新，顿变其陋态，自囊中出洋一元，以偿此客。客怪其多，则大笑曰：lsquo;是笺笺者何足论，余不日得千金赏，且将授职为标统，是笺笺者何足论。客大疑，因恬之曰：lsquo;然则君将大有所为邪？曰：lsquo;然。余行将大闹同盟会。客疑愈甚，固询之，遂顾左右而言他。及宋先生被刺之夕，武自是日午后离馆去，竟夕不返。次晨七时，始匆匆归，形色仓皇，出五十元之纸币，授馆主偿其宿赀，即携行李去，行装甚涩，一革囊，一布被而已。其去之顷，闻告车夫至西门，不知其究何至也。客言既毕，余因念武士英者，必为是案之要人，而西门又为应桂馨寓居之所在，觉此案渐见端倪，因嘱客速侦武士英之所在。[28]
    其时，报纸对武士英刺宋前后之可疑举动亦有报道，与陆惠生所记大体相同，惟更具体一些，如《民主报》记道：
    此次破获凶犯，为时甚速。忆自宋先生被刺之次日（二十一日），五马路鹿野旅馆，即发现极可疑之旅客。十四号室中有山西人武士英，自称为滇省之管带，但其生计极萧素，时出向上海名人乞募川资，顾面目极凶恶，身材短小。二十日午前，忽有一冯姓及其余三四人来，与之作附耳语。此冯姓自称光复军二营营长，继调查系当过光复军军需长。此数人来后，武士英即有喜色。其时，住其邻室者为某客，武即向借车资。某因其日夕相见也，不能却，与之小洋一角。武云：不够，将至西门，路甚远也。某遂与以小洋三角。晚八时许，武即回栈，则已易新鲜西装，急寻某，出手中钞票示之，约数十元，曰：我今已有钱。随取出一元还某。某惊曰：何必许多？武即答曰：我事成尚有千元。语毕，即出门去。同栈者方怪其有神经病，及次日宋先生被刺信传播，而同居者乃注意其人，急询此人行踪，则知二十夜并未回栈，并于二十一日之早七时许，曾来栈结付店账，提其破碎皮夹匆匆去矣。[29]
    国民党获知武士英身材短小的特征后，即派人分头侦缉。3月24日上午，法捕房在查抄应夔丞家时，从被拘留的眷属和来客中发现有一短身着新服者，疑为真凶，于是派人找来曾在沪宁车站案发现场与凶手照面者，以及六野旅馆住客，到应宅辨认，确定其果为刺宋凶手武士英。[30]武被捕时亦承认：杀宋教仁是我。[31]陆惠生亲自参与了抓捕武士英，他记述当时情形道：
    应既受拘，其第二着即为看守其居室与其眷属。余因再至应宅，探捕方驱宅中男妇入他室，余瞥见小室中有人蒙被卧，因呼之起。其人披衣，余见其内服皆新制，且身材矮小，如报上所载之凶犯，心疑之，因嘱巡捕曰：此人尤宜注意。其明日，余至宋先生受害处，访当时之曾见凶手者，既而得一人，又招六野旅馆之客至，偕之同之应宅，使一一识其家之男子，问似凶手否？皆曰否。既而视至昨之蒙被卧者，则同声呼曰：彼、彼、彼系凶手。其人闻言，色立变。乃招西探至，告以故，西探略一研问，即直认不辞。盖其人即武士英，亦曰吴福铭，即手刺宋先生者也。[32]
    应、武被租界捕房抓获后，上海地方检察厅及江苏都督程德全分别通过交涉使陈贻范，致函英、法两国总领事，以案发地沪宁车站为华界，应、武二人又系华籍，提出将二犯及相关证物移交中方办理。英国领事答以刻下正在搜集证据，羽党尚未尽获，姑俟办有眉目，转送中国法庭办理。法领事则以应所住拱宸门文元坊属法租界，请在法公堂办理。[33]外交部也照会外交团，请将凶犯引渡归中国法庭审讯。但各国公使提出种种理由，表示在租界会审公堂审讯明确以前，暂缓引渡。[34]
    先是武士英被捕次日，即3月25日午后5时，法国总领事康君、副领事李君及谳员聂榕卿，英公廨谳员关炯之、译员杨润之，以及上海地方审判厅审判官黄庆澜，开特别公堂，对武士英进行讯问，武士英详细交代了作案经过：
    武士英供：年二十二岁，山西人，向在贵州某学堂肄业。此次毕业来沪，住五马路鹿野旅馆。五、六年〔日〕前，与名陈玉生者在茶馆遇见，方始订交，其后不常相见。刺宋之前一日（十九号）复与陈遇，陈告伊现在本国内有一人，莠言乱政，如欲谋四万万同胞之幸福，必须先除此人。当时我即允刺杀之任，遂得陈之介绍，入共和实进会。该会会长即系被获押留在会审公堂之应桂馨也。礼拜四晚上，我与陈玉生同在汉口路某饭馆晚饭，当我饮酒小醉时，即有张发标、刘得胜同到该处，陈即交给我手枪一支。后四人同到沪宁车站，陈又叮嘱必须实行此事，彼等即买站台票三张，我同陈玉生、张发标三个人同入车站，刘得胜守候在外。不多时，我等见宋由招待室出来，陈玉生即指示明确，我认明后即放枪命中奔逃。当奔逃时，见有数人冲出，故又连放两枪，逃离火车站。之后即往法界徐家汇路八十号，即应之住宅。陈玉生已早在该处，我即将手枪交还。至我见应桂馨，不过二次，一在事前，一在事后。应桂馨他说我狠有肝胆，这事办得很好，我要送尔出洋留学，所有学费由我担任，五年后回国，尔可在中国办大事了等语。[35]