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易新鮮西裝，急尋某，出手中鈔票示之，約數十元，曰：“我今已有錢。”隨取出一元還某。某驚曰：“何必許多？”武即答曰：“我事成尚有千元。”語畢，即出門去。同棧者方怪其有神經病，及次日宋先生被刺信傳播，而同居者乃注意其人，急詢此人行蹤，則知二十夜並未回棧，並於二十一日之早七時許，曾來棧結付店賬，提其破碎皮夾匆匆去矣。[29]
國民黨獲知武士英“身材短小”的特徵後，即派人分頭偵緝。3月24日上午，法捕房在查抄應夔丞家時，從被拘留的眷屬和來客中發現“有一短身著新服者”，“疑為真兇”，於是派人找來曾在滬寧車站案發現場與兇手照面者，以及六野旅館住客，到應宅辨認，確定其果為刺宋兇手武士英。[30]武被捕時亦承認：“殺宋教仁是我。”[31]陸惠生親自參與了抓捕武士英，他記述當時情形道：
應既受拘，其第二著即為看守其居室與其眷屬。餘因再至應宅，探捕方驅宅中男婦入他室，餘瞥見小室中有人蒙被臥，因呼之起。其人披衣，餘見其內服皆新制，且身材矮小，如報上所載之兇犯，心疑之，因囑巡捕曰：此人尤宜注意。其明日，餘至宋先生受害處，訪當時之曾見兇手者，既而得一人，又招六野旅館之客至，偕之同之應宅，使一一識其家之男子，問似兇手否？皆曰否。既而視至昨之蒙被臥者，則同聲呼曰：彼、彼、彼系兇手。其人聞言，色立變。乃招西探至，告以故，西探略一研問，即直認不辭。蓋其人即武士英，亦曰吳福銘，即手刺宋先生者也。[32]
應、武被租界捕房抓獲後，上海地方檢察廳及江蘇都督程德全分別透過交涉使陳貽範，致函英、法兩國總領事，以案發地滬寧車站為華界，應、武二人又系華籍，提出將二犯及相關證物移交中方辦理。英國領事答以“刻下正在蒐集證據，羽黨尚未盡獲，姑俟辦有眉目，轉送中國法庭辦理”。法領事則以應所住拱宸門文元坊屬法租界，請在法公堂辦理。[33]外交部也照會外交團，請將兇犯引渡歸中國法庭審訊。但各國公使提出種種理由，表示在租界會審公堂審訊明確以前，暫緩引渡。[34]
先是武士英被捕次日，即3月25日午後5時，法國總領事康君、副領事李君及讞員聶榕卿，英公廨讞員關炯之、譯員楊潤之，以及上海地方審判廳審判官黃慶瀾，開特別公堂，對武士英進行訊問，武士英詳細交代了作案經過：
武士英供：年二十二歲，山西人，向在貴州某學堂肄業。此次畢業來滬，住五馬路鹿野旅館。五、六年〔日〕前
