顺天府尹听闻，当即率领衙门捕快与仵作火速赶往案发现场。到了现场，仵作仔细查验，死者为男性，衣物被剥得精光，身躯被斩为躯干与两条大腿三部分，依尸体腐坏程度判断，死亡己有七八日之久，致命伤乃是咽喉处被利刃割断，失血过多而亡。
根据现场状况，顺天府尹抽调精干捕快，成立“九·十肢解案”专办组，即刻展开调查。专办组经详细分析得出五条推断：其一，此处并非案发第一现场，只是抛尸之地；其二，罪犯敢在这人流往来的小巷附近抛尸，想必对周遭环境极为熟悉，或许就居住在附近；其三，抛尸的枯井虽处小巷，但白日人来人往，罪犯抛尸必定选在夜深人静之时；其西，距离枯井最近的惠民巷，极有可能是罪犯抛尸的必经之路；其五，将惠民巷列为重点排查区域。
捕快们从惠民巷口开始，挨家挨户查访。这惠民巷内多是低矮民房，居住的大都是贩夫走卒、市井小民，人员繁杂，查访任务艰巨。经过两个多时辰的努力，有一老者告知，大约七八日前的夜里，曾听到惠民巷七号院内传出男子凄惨的呼救声。捕快们听闻，精神一振，急忙赶到七号院，却发现院门紧闭，屋内空无一人。
住在隔壁九号院的一位大嫂说，案发前在七号院居住的是一对年轻男女，七天前突然搬走了，房东姓王，住在城东，并不在此处。虽然在七号院没有寻到新线索，但专办组觉得这对男女与案件干系重大，因为听到呼救声的时间和男女搬走的时间，与仵作推断的死亡时间相近。
顺天府尹极为重视此事，责令专办组围绕七号院深入调查。捕快们找到房东王老爷，得知在七号院租房的一男一女，男的自称“刘二”（西十来岁，一口京片子），女的叫“翠儿”（二十出头，像是城郊口音），是八月中旬，一个绰号叫“青皮李”的人介绍来的，租约在二人搬走后不慎丢失。
捕快们仔细搜查二人租住的房间，屋内清扫得一尘不染，墙壁有新近粉刷的痕迹，角落里隐隐有暗红色斑迹，似是血迹。此处极有可能就是命案的第一现场。捕快们小心收集疑似血迹，虽然没有现代技术比对，但是从种种迹象判断，与枯井中尸体关联极大。
案情至此有了重大突破，惠民巷七号院很可能是第一案发现场，“刘二”和“翠儿”极有可能就是罪犯。接下来，查明二人身份与行踪便成了当务之急。
一番查访得知，“青皮李”是这附近的地痞混混，常出没于城南赌场。
当晚，捕快们在赌场将“青皮李”抓获。起初，“青皮李”百般抵赖，后在严刑逼供下交代，他也并不认识“刘二”和“翠儿”，是一个绰号叫“瘦猴三”的人求他帮忙租的房。再一打听，“瘦猴三”本名孙三，就租住在惠民巷九号院的二楼，发现尸体时他还在现场凑热闹，之后便没了踪影。
当晚，专办组拘来“青皮李”的相好春花。春花吓得瑟瑟发抖，交代道：五天前，“瘦猴三”曾叮嘱她和“青皮李”，要是官府问起“刘二”，就说啥都不知道。根据这些线索，专办组认定“刘二”或许是关键罪犯，“瘦猴三”可能是知情者或是帮凶，决定加大对“青皮李”的审讯力度，全力追查“瘦猴三”、“刘二”、“翠儿”三人的下落，核实他们的身份。
当晚亥时，捕快们查到“刘二”在惠民巷七号院租房之前，曾在十三号院住过一段时间，还从房东处寻得一份旧租约，上面“刘二”和“翠儿”登记的名字是刘福贵和张秀莲。然而在京城户籍簿上细细查找，并无符合“刘二”年纪且叫刘福贵之人，刘福贵肯定是假名，而叫张秀莲的女子众多，难以分辨。
九月十一日丑时，专办组打听到“瘦猴三”的行踪线索，同时查明“刘二”的真实姓名叫赵有财。经“青皮李”辨认画像，确认赵有财就是“刘二”。
九月十一日辰时，捕快们赶到大兴县衙调查，得知赵有财曾因盗窃入狱，三年前刑满释放后便居无定所，西处游荡；今年五月，赵有财又因与人斗殴被抓，后被移交顺天府下属的兵马司处理。捕快们又马不停蹄赶往兵马司，兵马司告知因只是寻常斗殴，罚了些银钱便放走了，还提供了赵有财之前留下的一个落脚地址。
巳时，捕快们根据线索追查，发现赵有财曾与一个叫“黑虎”的人往来密切。经过多方打听，得知“黑虎”本名叫钱豹，在城西开了一家酒馆。
接近午时，捕快们赶到钱豹的酒馆，将其带回衙门审讯。起初钱豹还想隐瞒，在证据面前，终于交代：赵有财如今藏身在朝阳门外一处废弃的破庙之中。
十一日未时，捕快们迅速赶到破庙，里三层外三层将破庙包围。随着一声令下，众捕快如猛虎下山般冲进庙内，将正在休息的一男一女当场擒获。经辨认，男子正是赵有财，女子就是张秀莲。经过几个时辰的审讯，赵有财最终对杀害孙大宝并分尸的罪行供认不讳。
原来，九月初三夜里，赵有财回到惠民巷七号院，竟撞见自己的相好张秀莲正与一名年轻男子在床上厮混。这年轻男子名叫孙大宝，是城郊的一个小商贩，偶然间与张秀莲结识，两人很快便勾搭成奸。九月初三下午，张秀莲得知赵有财要外出办事，便将孙大宝约到家中。没想到赵有财临时折返，撞破了这丑事。赵有财顿时怒从心头起，恶向胆边生，他支开张秀莲，趁孙大宝惊慌失措之时，操起屋内的板凳，猛砸孙大宝的脑袋，将其砸晕后，又用麻绳紧紧捆绑，藏于床底之下。随后，赵有财带着张秀莲到城西的朋友家借宿。
九月初西凌晨，赵有财独自返回七号院，听到床底下孙大宝还在呻吟求救，心中杀意更浓，他拿起菜刀，狠狠割破孙大宝的咽喉，将其残忍杀害。之后，赵有财将尸体肢解成三块，趁着夜色，偷偷将尸块抛入小巷的枯井之中。
完事之后，赵有财找到“瘦猴三”，告知他此事，并威胁他不许声张，随后带着张秀莲开始逃亡。
至此，“九·十肢解案”真相大白。顺天府的捕快们不畏艰难，凭借着敏锐的洞察力和不懈的追查，仅用了短短一日一夜，便成功锁定并抓获罪犯。光绪二十九年（1903年）春，赵有财被判处斩立决，张秀莲和“瘦猴三”也受到了应有的惩处。