了几步，便趴倒在一张椅子上。
车站里顿时大乱，有的人吓得钻到椅子下面，有的人拼命向门外奔跑。黄兴、廖仲恺等人也慌了手脚，连忙扶住宋教仁，问他怎么了。鲜血从宋教仁的腰部直涌出来。于右任赶紧跑到车站外拦住了一辆汽车，把宋教仁送到了离车站最近的沪宁铁路医院抢救。
宋教仁被送到医院，已是半夜12点，直到第二天凌晨，德国医生才取出了宋教仁身上的子弹。子弹是从后背射入体内的，伤口离心脏很近，使宋教仁疼痛难忍，但他当时神志还很清楚。他用手把于右任的头拉到胸口，喘息地说：“吾痛甚，殆将不起，今以三事奉告：（一）所有在南京、北京及东京寄存之书籍，悉捐入南京图书馆。（二）我本寒家，老母尚在，如我死后，请克强与公及诸故人为我照料。（三）诸公皆当勉力进行，勿以我为念，而放弃责任心。我为调和南北事费尽心力，造谣者及一班人民不知原委，每多误解，我受痛苦也是应当，死亦何悔？”
又授意黄克强代拟致袁世凯的电报一件。电文说：
“北京袁大总统鉴：仁本夜乘沪宁车赴京，敬谒钧座。十时四十五分，在车站突被奸人自背后施枪，弹由腰上部入腹下部，势必至死。窃思仁自受教以来，即束身自爱，虽寡过之未获，从未结怨于私人。清政不良，起任改革，亦重人道，守公理，不敢有一毫权利之见存。今国本未固，民福不增，遽尔撒手，死有余恨。伏冀大总统开诚心，布公道，竭力保障民权，俾国会得确定不拔之宪法，则虽死之日，犹生之年。临死哀言，尚祈鉴纳。宋教仁。哿。”
手术之后，宋教仁的情况依然没有好转，不断呕吐，大小便中出血严重。医生被迫进行第二次手术。21日下午，宋教仁再次被送进手术室，为防止意外，于右任亲自在手术室内监视手术进行。
一群新闻记者始终坚守在门外，直到手术完成。可是，做手术的医生很悲观，只说：“我们已经做了一切努力，其余的……要看上帝的安排了。”3月22日凌晨3时左右，宋教仁伤势转重，到4时48分终于逝世。这一年，他才32岁。
黄兴、于右任、陈其美等人悲痛地告别了自己的战友。陈其美一边哭一边用拳头捶打床沿喊叫：“此事决不甘心！决不甘心！此仇不报，我誓不为人！”
第二天，上海各大报都在显著位置刊登了宋教仁遇刺的消息。报童们在大街小巷叫喊着：“宋教仁遇害，凶手不明！”
3月23日下午，国民党上海支部为宋教仁举行了隆重的移灵仪式，将他的遗体从医院移往法租界内的湖南会馆停放。送殡的队伍长达十几里，加入送葬行列的人越来越多，许多人痛哭失声，围观的人像潮水一样涌来涌去。宋教仁的遗体被盛放在楠木灵柩中，安放在扎满花圈的马车上，在浩浩荡荡的人流护送下，到达了挂满挽联的湖南会馆。
到底是谁杀了宋教仁？直到现在，这依然是一个众说纷纭的谜。
事后经过各方追查发现，与本案有关的几个关键人物分别是：凶手武士英，失业军人；联系人应桂馨，江苏驻沪巡查长；上级联系人洪述祖，北京政府内务部秘书。除此之外，牵涉其中的还有当时的国务总理赵秉钧，以及大总统袁世凯。
应桂馨是近代上海流氓帮会头子，名夔丞。他早年混迹江湖，在上海结帮坑骗。1911年11月由于参与上海会党军警起义，因此上海光复后任沪军都督府谍报科长。孙中山就任民国临时大总统时，应桂馨随孙中山赴南京担任总统府庶务科长。后来因为他恶习不改，横蛮不法，被撤职回到上海。
赵秉钧，字智庵，河南汝州人，1859生。1878年考秀没考中，就投入左宗棠楚军效力，随军进驻新疆。袁世凯小站练兵时，赵秉钧曾随习军政，专攻侦探、警察两门，与袁世凯有一定的渊源；加之他在巡防营时，镇压京津一带义和团运动有功，也颇为袁世凯所赏识。因此1901年袁世凯委以创办巡警的重任，第二年命他担任保定巡警局总办。1903年，赵秉钧将天津、保定两处的巡警学堂合并为北洋巡警学堂，后来又在各州县设立巡警传习所，建立全省巡警网。他在天津经营警务，深得袁世凯的欢心。1912年3月，袁世凯就任临时大总统，赵秉钧便出任内务总长，并于1912年8月，任代理国务总理。9月25日，赵秉钧又由代理改为实任国务总理。
洪述祖，字荫之，江苏常州人。1893年经由父亲推荐到刘铭传手下任中军参谋。辛亥革命爆发后，洪述祖得知世交赵秉钧与手握北洋军权的袁世凯打得火热，就投靠袁世凯，并为袁世凯献上先“以南压北”再“以北压南”之计，得到袁世凯的赏识。袁世凯得到中华民国大总统后，委任洪述祖为内务部秘书，并授予三等嘉禾勋章，洪述祖成为袁世凯嫡系。
宋教仁在长江一带旅行讲演风头正健时，袁世凯致电召宋教仁来北京磋商要政。袁世凯的本意或许就是试试“重用之”，如果不成功，再除之。可袁世凯手下的这群党羽早已坐立不安。主子皱一个眉头，他们心里可能已经翻江倒海。
据章士钊后来回忆，当宋教仁遇刺的电报传到时，他正在总统府与袁世凯一起用餐。袁闻讯后的反应是叹息说，“遯初（宋教仁的字）可惜，早知如此，何必当初？”在随后闲谈中，袁世凯意指出宋案的凶手是黄兴，理由是“黄、宋争国务总理，两派大决裂为证”，惹得章士钊愤然辞出。
宋教仁遇刺消息传来时，赵秉钧正在主持内阁例会，“闻听消息，大惊失色，一边绕桌子不停转圈一边自言自语：‘人若说我打死宋教仁，岂不是我卖友，哪能算人？’”赵秉钧的反应是一种表演，还是真的只是一场意外？
直接凶手武士英只是一个兵痞，指使者应桂馨也只是上海流氓头子，真正的幕后凶手到到底会是谁呢？一直以来，宋教仁的死因有几种猜测：
赵秉钧单谋说：赵秉钧出身寒微，累迁要职，终于在袁世凯手下成为国务总理。因为嫉妒宋教仁的声望，以及为了保住自己的总理之位，便与政府内务部秘书洪述祖合谋，买凶杀宋教仁。
袁世凯的参谋说：在北京，宋教仁与赵秉钧有过多次深谈，二人颇有“虚君实相”之议，策划共同架空袁氏。袁世凯得知后，曾与人云，一面捣乱尚且应付不了，何况两面乎？所以要逐步除掉这两个人。
洪述祖单谋说：袁世凯、赵秉钧皆不知情。袁世凯有杀宋教仁的想法，但仍在“用之”与“除之”之间犹豫不决。洪述祖过度揣摩领导意图，自作主张，杀了宋教仁。
除此之外还有宋教仁死于国民党内部派系斗争的说法。由于当时宋教仁声誉太盛，威胁到了党内其他“长辈”的地位，招致嫉恨，导致杀身之祸。
但是，照袁士凯及其手下一干人后来的表现和结局来看，此案确实是袁氏集团所犯。
“半生事业垂千古”的宋教仁，是卓有声望的民国元勋，他的被刺引起全国轰动，激起各界共愤，一致呼吁缉拿凶手，彻查背景。黄兴、陈其美代表国民党总部致函上海总巡捕房：如拿获正凶，彻清全案，准备赏银一万，以为酬劳。
俗话说，重赏之下，必有勇夫。3月23日午后，一个身着长袍的老头，来到四马路（今福州路）公共租界总巡捕房，求见总巡长卜罗斯。他开门见山：“鄙人王阿发，以兜售字画碑帖为生。今见悬赏缉拿刺杀宋教仁凶手的布告，不知是否拿获了凶手？”
卜罗斯照实答道：“到目前为止，尚未拿到。”
“鄙人愿提供线索。”王阿发喜形于色。
“欢迎，欢迎。”卜罗斯赶紧招呼书记官记录。
王阿发点燃一支香烟，细细道来。
事情应先从王阿发认识的应桂馨说起。应桂馨算是上海滩上的一个角色，表面挂着中华民国共进会会长和江苏省驻沪巡长的两个头衔，实际上是帮会的头目。王阿发知道他是地方一霸，为了求得他的保护，便投其所好，凡得到有价值的古董，都先送到他处，价钱由他定，这样一来两人渐渐近乎起来。十天前，王阿发得到郑板桥的一幅真迹，照例又送到应桂馨家里。交易结束后，王阿发起身告辞，却被应桂馨喊住：“阿发，你看我待你怎么样？”“好，好得很！”王阿发慌忙表现出感激涕零的样子，“没有应先生您的关照，我哪有今日？”“阿发倒也没有忘记我的好处。”应桂馨呷了口龙井，慢条斯理地说，“我现在有件事，想请你帮个忙。”“凡有用得着时，一定尽力。”王阿发答应过后问道，“但不知应先生所为何事？”应桂馨取出一张照片递过来。“这个人是我的死对头，你把他杀了。枪由我给你，事成之后，给你一千大洋酬金。”王阿发一听颤抖着说：“我生性胆小，平时连杀鸡都不敢看，实在没有胆量杀人。再说也不会开枪，弄不好反倒误了您的大事。”应桂馨立时面孔拉长，正要发作却又突然大笑起来：“和你开个玩笑，看把你吓得尿了裤裆，真是饭桶，哈哈哈……”事情就这样过去了。
这天午饭后，邮差送来《申报》，王阿发随手翻开，悬赏缉拿刺杀宋教仁凶手的布告一下映入眼帘，上面还有宋教仁的照片。王阿发大吃一惊：应桂馨要我杀的，不正是照片上的这个人吗？他连忙到街上探究情况，正看到巡捕人员满大街张贴悬赏布告，不禁怦然心动：如果得到一万元赏银，足够后半辈子消受了。于是喊了辆黄包车，直奔总巡捕房去。
送走王阿发后，卜罗斯立即作出抓捕嫌疑犯应桂馨的部署。当晚10点钟，卜罗斯带着中西捕探，直奔应桂馨住宅。不料应桂馨的门房称，应桂馨去了青和坊妓院的相好胡翡云那里。
卜罗斯当下兵分两路，一路看守应宅，一路去青和坊妓院。到了妓院，卜罗斯命令一名便衣捕探进去查询，老鸨回话说：“应老爷与胡小姐都已去了迎春坊，在李桂玉小姐处喝酒。”
迎春坊离青和坊不远，一会儿就到了。便衣捕探装作应桂馨的道上朋友，迈着四方步进去，口中还连连咋呼：“应老爷在哪个房间？”“应老爷在3号房间。”老鸨误以为是应桂馨的熟人，指了指楼上。便衣立即上楼，走到3号房门口，只见应桂馨这时已喝得脸似猪肝，两个妓女左右傍坐调笑。便衣咳嗽一声道：“应老爷，楼下有人要见你。”
“我去去就来。”应桂馨在李桂玉脸上拧了一把，便摇摇晃晃下了楼，嘴里喷着酒气嚷嚷：“啥人找我？半夜三更的，有什么要紧事？”他的脚刚跨下楼梯，双手即被两个早已恭候的捕探抓住，“咔嚓”一声上了手铐。卜罗斯一挥手：“先送去捕房！”
接着，卜罗斯复又带人赶到应桂馨家进去搜查，并将全家男女老少逐一盘问。应桂馨家中有一男人，长得五短身材，浓眉阔嘴，穿着崭新的西装，眼神中显出几分惊慌，大家都说他是应桂馨新近结识的朋友。此人自称是山西人，叫吴福铭，来上海脱手一对古花瓶，经人介绍认识了应桂馨，并留住在应桂馨家中。
在这以前，卜罗斯已从两个人那里得到关于刺宋凶手的身材相貌线索。一个是火车站售票员，她说枪响后，看见刺客狂奔逃跑，还跌了一跤，是个矮个子，一付浓黑的倒挂眉；另一个是鹿野旅馆的胡账房，他说他的房客中有个山西人武士英，原本衣衫褴褛，可3月19日半夜里醉醺醺回到旅馆，拍拍身上穿的笔挺西装，满脸得意地炫耀：“老子发财了，明天还有一桩大买卖，可得一千大洋。”次日一早，他便结账离去。
于是，卜罗斯对眼前的这名男子产生了怀疑，马上安排人把售票员与胡账房传来辨认。售票员一看就说：“开枪打宋先生的就是这个人！”胡账房也说：“他叫武士英，就是那个山西客人。”
矮个子知道瞒不过了，才承认自己就是刺杀宋教仁的杀手。他真名叫武士英，曾担任过清军管带，此次是带着盗墓而得的古董来上海出售，与应桂馨认识的。应桂馨许诺要给他一千元赏金，让他刺杀宋教仁，还给他找了个娼妓。20日夜里，武士英开枪打死宋教仁后，便藏匿在应桂馨家中。应桂馨叫他赶紧离开上海远走高飞，可他却深陷温柔乡不可自拔，以外边搜捕正紧为借口，赖着不走。
捕探翻箱倒柜，搜遍了应桂馨家中的大小房间，从应桂馨的床下搜得5响手枪1支、子弹两发，后来经专家检验，搜出的子弹与刺杀宋教仁的属于同一型号。捕探还在应桂馨床铺的枕头下面，搜出数封来往书信，从中又发现了一个惊天秘密：刺杀宋教仁的主谋，实际上就是当朝大总统袁世凯，同谋要犯是国务总理赵秉钧和内务部秘书洪述祖。
应桂馨、武士英被捕后，被引渡给中国上海司法当局。
在黄兴、陈其美的坚持下，1913年4月25日证据被电告袁