陳捕頭探聽的結果是：綠翹把魚玄機的一個情人拐跑了。可是作為資深的辦案人員，陳捕頭產生了懷疑：綠翹會不會被魚玄機殺了呢？這懷疑自然而然就跟兄弟的聽聞掛上了鉤。於是他在一個道觀裏高朋滿座的下午，派了一個很有經驗的仵作（相當於現在的法醫），化妝成客人的仆人，進行了實地偵察。結果派去的人回來報告說：非人即畜埋於該處，青蠅揮之不去也。陳捕頭想起曾經因為賭錢輸了，想去魚玄機那裏搞點銀子，卻被她一口回絕的事來。不管那裏埋的是什麼，正好帶人去挖開來瞧瞧，就算真的沒有什麼，也可以借機敲打敲打她，出出那次索錢不予的惡氣。於是陳捕頭帶了七八個衙役，以追查朝廷要犯為由，闖進了鹹宜觀，直趨紫藤花下。
挖開紫藤花下的浮土，將血跡土堆刨開，一具年輕女孩的屍體赫然出現在眾人麵前。雖然已經過去了十餘日，仍能辨出麵目，宛如生時，陳捕頭把道觀的其他小道姑、婢女叫過來進行辨認，大家一致認定這正是綠翹。
於是，陳捕頭帶著一班衙役，直撲道觀大殿，捉拿魚玄機。隻見魚玄機跪於老子塑像前，口中念念有詞，剛才還熱鬧非凡的大殿，此時已經空無一人了。當衙役把繩索套在她身上時，她竟不置一詞，任由陳捕頭將她帶到了官府。第二天早上，魚玄機被帶到公堂後，冷冷地抬頭看座上。主審官不是別人，正是裴澄。世間的事情總是變幻莫測地折磨人，魚玄機腦中一閃念：“這下子無法逃生了！”其實裴澄也是個詩人，寫的那首詩《春雲》很有名，收錄在《全唐詩》裏：
漠漠複溶溶，乘春任所從。映林初展葉，觸石未成峰。旭日消寒翠，晴煙點淨容。霏微將似滅，深淺又如重。
薄彩臨溪散，輕陰帶雨濃。空餘負樵者，嶺上自相逢。
此時的裴澄高高在上，把驚堂木一拍，喝道：“罪婦魚玄機，你是如何殺死婢女綠翹的？從實招來！如若不招，大刑伺候！”魚玄機的四周，擺滿了幾十種刑具。“威武”站列兩旁的衙役一齊吼堂，更是顯得陰森恐怖。
魚玄機不願意死得太難看，不必用刑，就將打殺綠翹的經過，一一招供了。用今天的話來說，就是“對所犯罪行供認不諱”。裴澄讓魚玄機在供狀上簽了字，畫了押。在判決書上用紅筆批了“秋後問斬”四個大字。隨後就將魚玄機押入死牢，將案卷移交給京兆尹溫璋（長安市市長）審決。
魚玄機被關進了大牢，眨眼間，就成了京城長安的特大新聞。京官、地方官多達數十人紛紛來說情，其中富商李近仁是最出力的一個，他甚至拿出整整十錠金光燦燦的金元寶，來保魚玄機的命。溫市長大人沒想到魚玄機一個小小的道姑，其影響力會這麼大，很快就將魚玄機殺人一案的卷宗上報到了大理寺。
沒想到，由於魚玄機交遊甚廣，說情的人又說到了大理寺。大理寺卿劉方亮覺得此案很麻煩，幹脆將案卷又移交到了刑部（司法部）尚書淳於達處，淳於尚書也覺得這事麻煩多多，再將卷宗移送到了禦史台（最高檢察院）中丞陳琛（最高檢察院長）那裏。
陳琛幹脆來了個“三司推事”，即三個國家最高司法機關聯合審理宣判案件，到了這個規格上，要說情，除非到皇上那兒。於是，三個全國最高司法長官將此案辦成了鐵案，定於唐懿宗鹹通十二年（871年）秋十月初八早晨，處斬魚玄機。
◆處斬魚玄機
十月初八那天一大早，長安城北郊，萬人空巷。
到了午時，魚玄機坐著囚車被押進刑場。晴空萬裏的好天氣，變得陰沉沉的，沉重得讓人喘不過氣來。
魚玄機風采依舊。一襲灰白道袍，披散著一頭及腰的青絲，麵色慘白，但美貌依然。本來處斬的犯人是要穿囚服的，但在她的一再請求下，被批準穿道袍赴死。她可不願意穿著囚服到另外一個世界去。
表情凝重，又從容不迫，完全是一種視死如歸的神態。此刻她的感受是什麼樣的呢？套用《百年孤獨》中的表達式就是：
當魚玄機麵對行刑隊的時候，一定會想起她初次見到溫庭筠的那個遙遠的下午。
這位才情非凡的“醜鍾馗”沒有勇氣接受一位年未及笄的女孩的感情。到她為出身名門望族的裴氏所不容，以小妾的身份而為女道士，自傷身世，有“易求無價寶，難得有心郎”的痛苦而絕望的慨歎，之後大開豔幟，鹹宜觀車水馬龍，她又從棄婦變成了蕩婦，過上了半娼式的生活。