在搜查他的房间时却意外地发现一张名片，上写“江苏巡查长应桂馨，法租界西门路文元坊”。这个不大不小的收获着实让周南陔等人欣喜。他们赶忙会同公共租界总巡捕卜罗斯、西探总目阿姆斯特朗率巡捕直奔西门路（今徐家汇路）文元坊应桂馨家，但扑了个空。
应桂馨的家人说主人到妓女胡翡云家去了。周南陔立刻带巡捕赶到胡翡云那里，才知道应桂馨正在湖北路迎春坊妓女李桂玉那喝“花酒”。
巡捕们又即刻包围迎春坊。
应桂馨身怀武功，众人不敢打草惊蛇。周南陔曾与应桂馨有过一面之识，应桂馨在宋教仁出殡时还忙着帮助张罗过，所以由周南陔出面唤出应桂馨。
当时，应桂馨饮酒正酣，忽听得楼下有人呼唤，就摇摇晃晃地走下楼。一见是周南陔就满脸赔笑说：“周老兄，上楼喝两盅花酒吧。”
话音未落，阿姆斯特朗带着一群巡捕一拥而上，“咔嚓”一声铐住应桂馨的双手。
应桂馨这才如梦方醒，知道事情败露，他吓得面如土色，双腿颤抖，乖乖地束手就擒。
武士英还未落网，并且像应桂馨这样在黑白两道都吃得开的人物没有确凿的证据是告不倒他的，因此第二天，周南陔协同巡捕对应桂馨府第进行了搜查。
应桂馨的宅第位于小西门外，是一幢三上三下的房子，装潢华丽，陈设阔绰。众巡捕在应家翻箱倒柜，把衣橱、抽屉、书架各处翻了个底朝天，也没发现任何有价值的片纸只字。
正当大家一筹莫展，为寻找证据而急得团团转的时候，周南陔“眉头一皱，计上心来”。他悄悄走到二楼软禁女眷的厢房，屋子里应桂馨的三妻四妾们个个被吓得胆战心惊，缩成一团。进门后，周南陔谎称是应桂馨的知交，受应桂馨的嘱托，来取走秘密文件转移。女人们将信将疑，周南陔又装作很着急的样子催促道：“快，快点！如果让巡捕房翻出来，应大哥可就危险了。”这些女人果然中计，一个小妾站起身撬开墙角的地板，取出一个小箱子交给周南陔，说：“阿拉是晓得的，刚刚外面看得太严，没有弄出来，现在给你。”
周南陔故意装着很平静地接过箱子，连忙又问：“还有别的要紧东西吗？”
应妾摇摇头。于是他将箱子揣在怀里，转身下楼。
在楼下客厅里周南陔与阿姆斯特朗等开箱检查，只见箱内藏有应桂馨与北京方面的往来电函、信件、文稿，以及一支剩下两颗子弹的五响勃朗宁手枪。由于电函多用密码，众人费了几小时才破译出其中的关键字句，如“毁宋酬勋”、“梁山匪魁”等字样。周南陔等人简直不敢相信自己的眼睛，没想到应桂馨背后竟有如此大的后台。
物证到手，大家松了口气，接下来就是要把凶手武士英擒拿归案。或许是开玩笑，国民党人陆惠生有意无意地向被扣留在应家的闲杂人等中喊了一声：“武士英！”岂料，立刻有人应声：“有！”这一声令在场的人大吃一惊。但见一个矮个子从人群中走出，承认他就是武士英。后经两个四川学生辨认，证实的确是武士英。原来这天上午，武士英跑到应宅来讨赏钱，谁知正落入法网。这才叫“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”！
应桂馨、武士英被抓获后，“宋案与北京政府有关”的消息不胫而走，迅速传播，全国上下沸沸扬扬。
在国民党和各界的压力下，江苏都督程德全与北洋政府驻沪交涉使陈贻范向上海领事团提出将二犯移送中方审理，并要求把从应家搜出的证据公之于世。但领事团称两案犯是在租界被捕的，应该由租界法庭进行预审，证据确凿才能交人，至于公布物证一事关系中国政局，必须向北京公使团请示。
在租界法庭上，应桂馨百般抵赖，使审讯陷于僵局，加上江苏地方当局再三交涉，上海领事团不得不在4月中旬把应桂馨、武士英二犯及物证移交上海司法机关。在黄兴、陈其美的支持下，江苏都督程德全、民政厅长应德闳答应在4月25日将应桂馨与洪述祖、赵秉钧的来往密电电告袁世凯、参众两院和各省军政长官，并决定在同日开庭审理。就在开庭的前一天，武士英暴亡，此乃杀人灭口是毫无疑问的，但法医多次验尸，却查不出死因，既不是外伤，也没中毒迹象。武士英虽然罪该万死，而他的死至今仍是一个谜。
武士英一死，对应桂馨的审讯暂时搁置。为了防止应桂馨自杀或被暗杀，当局特意派兵一团加强了对应桂馨的看管，甚至连吃饭都由守军的营团长陪同。在狱中，应桂馨还享受到了其他犯人望尘莫及的待遇——吸食鸦片。应桂馨是有名的“瘾君子”，虽然监狱每天给他戒烟丸四至八粒，可毫无作用，烟瘾一发作，应桂馨就蒙头蜷缩成一团，手足冰冷，口吐白沫，要死要活的。出于无奈，当局只好购买鸦片精，供他服用。
4月25日12时，程德全、应德闳如期将“宋案”的初步调查结果和证据通电发布。次日，《民立报》等报刊以醒目的标题全文转载了通电。袁世凯恼羞成怒，决心以武力征服国民党控制的南方各省，1913年7月，蓄谋已久的军事进攻发动了。
国民党仓促应战，战争形势每况愈下。当国民党人被迫撤出上海时，有人向陈其美建议将应桂馨就地枪决。陈其美考虑再三，认为不依法处决应桂馨会有损国民党的声誉，而且陈其美认为自己与上海的青洪帮势力有密切联系，谅应桂馨也逃不出手掌心。
由于陈其美这心慈手软，给了应桂馨一次苟延残喘的机会，在国民党撤退时，应桂馨在其党徒的策应下趁乱越狱逃跑。
应桂馨出逃后不敢留在上海，先在青岛躲了一阵，而后溜进北京，自恃有功找袁世凯兑现“毁宋酬勋”的诺言，并且狮子大开口要求袁世凯再给50万元。但是在刺杀宋教仁的秘密大白于天下之后，国人皆知袁世凯是刺宋的主谋，国民党也已同袁世凯兵戎相见，应桂馨对袁世凯来讲已是一条无用的走狗了。可应桂馨以仍藏有袁世凯唆使他暗杀宋教仁的密证为要挟，一再邀功请赏。
关于刺宋教仁内幕，还有一种说法不能不在此一提。
据说当年袁世凯派洪述祖来沪时，首先是找了上海青帮“理”字辈湖州帮的巨头李徵五。李徵五当时的两个高徒，一个是应桂馨，一个是张宗昌。当下李徵五就选择了他认为最合适的应桂馨，介绍给洪述祖。同时，因李徵五已得知宋教仁与陈其美因权力之争而矛盾激化，他想到还可用刺宋教仁一事再做一笔交易，就又跑到陈其美那里拍胸脯担保他将刺杀宋教仁，拥护陈其美，代价是50万元和一支手枪。陈其美答应条件，很快将钱、枪送到。案发后，陈其美先布置手下设法取回枪支，然后将应桂馨捉拿归案。李徵五原想万一事情败露还可把陈其美推出，现在眼看就要弄到他的头上，赶紧将武士英杀了灭口。
据史料载，武士英暴死狱中，死因是偶感风寒，殊为可疑。应桂馨越狱逃走，后为袁世凯雇人刺杀。从此，刺宋教仁案证据确凿之真凶均已身亡，袁世凯大总统又无法捉拿归案，只能了结此案。几年后，李徵五为报一箭之仇，派其另一高徒刺杀了陈其美，这位高徒正是后来的大军阀张宗昌。
这种传说并无说服力，也没有真凭实据，完全根据一些表面现象和政坛传闻，又加上陈其美也是青帮李徵五系统中的人物，与李徵五有深交，于是此事似乎颇为可信。人们一联想到陈其美曾使人刺杀光复会巨子陶成章，就觉得此一说法也有可能。但如果我们纵观陈其美的政治生涯和其革命活动，并考察当时国民党内矛盾的真实情况，就不能不对此说法提出疑问。
袁世凯为了保留最后一层面纱，对应桂馨虚与委蛇，给了他一些钱物。
这下，应桂馨可乐昏了头，在北京打着袁世凯的招牌到处招摇撞骗，还不知死活地讨了旧相好胡翡云做他的姨太太。
袁世凯岂能容应桂馨如此嚣张。
1914年1月，袁世凯交给应桂馨一笔钱，命他南下办一桩事。1月19日，当应桂馨乘坐的火车刚过天津以南的杨柳青，袁世凯的杀手——北京军政执法处的侦探长郝占一和侦探王双喜闯入应桂馨的车厢，将应桂馨乱刀捅死。坏事做尽的应桂馨就这样结束了他可耻的一生。
对于“大”字辈应桂馨之死，张仁奎只说了两个字：“报应！”其实，这个评价也恰到好处。同为“大”字辈，张仁奎是极其反对搞暗杀、刺杀的，他想，如果在战场上，怎么杀，怎么狠都不过分。所以，对于应桂馨专搞暗杀，张仁奎是根本瞧不起的。