陈捕头探听的结果是：绿翘把鱼玄机的一个情人拐跑了。可是作为资深的办案人员，陈捕头产生了怀疑：绿翘会不会被鱼玄机杀了呢？这怀疑自然而然就跟兄弟的听闻挂上了钩。于是他在一个道观里高朋满座的下午，派了一个很有经验的仵作（相当于现在的法医），化妆成客人的仆人，进行了实地侦察。结果派去的人回来报告说：非人即畜埋于该处，青蝇挥之不去也。陈捕头想起曾经因为赌钱输了，想去鱼玄机那里搞点银子，却被她一口回绝的事来。不管那里埋的是什么，正好带人去挖开来瞧瞧，就算真的没有什么，也可以借机敲打敲打她，出出那次索钱不予的恶气。于是陈捕头带了七八个衙役，以追查朝廷要犯为由，闯进了咸宜观，直趋紫藤花下。
挖开紫藤花下的浮土，将血迹土堆刨开，一具年轻女孩的尸体赫然出现在众人面前。虽然已经过去了十余日，仍能辨出面目，宛如生时，陈捕头把道观的其他小道姑、婢女叫过来进行辨认，大家一致认定这正是绿翘。
于是，陈捕头带着一班衙役，直扑道观大殿，捉拿鱼玄机。只见鱼玄机跪于老子塑像前，口中念念有词，刚才还热闹非凡的大殿，此时已经空无一人了。当衙役把绳索套在她身上时，她竟不置一词，任由陈捕头将她带到了官府。第二天早上，鱼玄机被带到公堂后，冷冷地抬头看座上。主审官不是别人，正是裴澄。世间的事情总是变幻莫测地折磨人，鱼玄机脑中一闪念：“这下子无法逃生了！”其实裴澄也是个诗人，写的那首诗《春云》很有名，收录在《全唐诗》里：
漠漠复溶溶，乘春任所从。映林初展叶，触石未成峰。旭日消寒翠，晴烟点净容。霏微将似灭，深浅又如重。
薄彩临溪散，轻阴带雨浓。空余负樵者，岭上自相逢。
此时的裴澄高高在上，把惊堂木一拍，喝道：“罪妇鱼玄机，你是如何杀死婢女绿翘的？从实招来！如若不招，大刑伺候！”鱼玄机的四周，摆满了几十种刑具。“威武”站列两旁的衙役一齐吼堂，更是显得阴森恐怖。
鱼玄机不愿意死得太难看，不必用刑，就将打杀绿翘的经过，一一招供了。用今天的话来说，就是“对所犯罪行供认不讳”。裴澄让鱼玄机在供状上签了字，画了押。在判决书上用红笔批了“秋后问斩”四个大字。随后就将鱼玄机押入死牢，将案卷移交给京兆尹温璋（长安市市长）审决。
鱼玄机被关进了大牢，眨眼间，就成了京城长安的特大新闻。京官、地方官多达数十人纷纷来说情，其中富商李近仁是最出力的一个，他甚至拿出整整十锭金光灿灿的金元宝，来保鱼玄机的命。温市长大人没想到鱼玄机一个小小的道姑，其影响力会这么大，很快就将鱼玄机杀人一案的卷宗上报到了大理寺。
没想到，由于鱼玄机交游甚广，说情的人又说到了大理寺。大理寺卿刘方亮觉得此案很麻烦，干脆将案卷又移交到了刑部（司法部）尚书淳于达处，淳于尚书也觉得这事麻烦多多，再将卷宗移送到了御史台（最高检察院）中丞陈琛（最高检察院长）那里。
陈琛干脆来了个“三司推事”，即三个国家最高司法机关联合审理宣判案件，到了这个规格上，要说情，除非到皇上那儿。于是，三个全国最高司法长官将此案办成了铁案，定于唐懿宗咸通十二年（871年）秋十月初八早晨，处斩鱼玄机。
◆处斩鱼玄机
十月初八那天一大早，长安城北郊，万人空巷。
到了午时，鱼玄机坐着囚车被押进刑场。晴空万里的好天气，变得阴沉沉的，沉重得让人喘不过气来。
鱼玄机风采依旧。一袭灰白道袍，披散着一头及腰的青丝，面色惨白，但美貌依然。本来处斩的犯人是要穿囚服的，但在她的一再请求下，被批准穿道袍赴死。她可不愿意穿着囚服到另外一个世界去。
表情凝重，又从容不迫，完全是一种视死如归的神态。此刻她的感受是什么样的呢？套用《百年孤独》中的表达式就是：
当鱼玄机面对行刑队的时候，一定会想起她初次见到温庭筠的那个遥远的下午。
这位才情非凡的“丑钟馗”没有勇气接受一位年未及笄的女孩的感情。到她为出身名门望族的裴氏所不容，以小妾的身份而为女道士，自伤身世，有“易求无价宝，难得有心郎”的痛苦而绝望的慨叹，之后大开艳帜，咸宜观车水马龙，她又从弃妇变成了荡妇，过上了半娼式的生活。
她对自己把握得不够，稀里糊涂地走远了，最后把自己走丢了。过把瘾就死，这句话用在鱼玄机身上再恰当不过了，她疯狂纵欲，以至因妒杀人，她着实疯狂地过了一把瘾，而代价是自己的生命。
关于鱼玄机的罪案，温州大学张乘健教授认为，《三水小牍》关于鱼玄机“妒杀”绿翘的故事有编造的痕迹。理由有二：一、绿翘已死，她死前和鱼玄机说的话来源不可靠；二、绿翘作为鱼玄机的女僮，年龄顶多不过十几岁，而说的话义正词严，全然不像天真烂漫的稚龄女孩子的口气。这些话未见得是皇甫枚所编造，很可能就出自京兆府刀笔吏对鱼玄机罪案的陈述；而绿翘斥鱼玄机“淫佚”，简直就是京兆府尹对鱼玄机严正的判词。张乘健认为，绿翘事件必定有复杂的背景，里面隐藏着隐秘的故事和细节；所谓鱼玄机“妒杀”案是亘古之谜，也是千古奇冤。
其实，鱼玄机也可以不死。按照唐律，主人杀奴婢可以减罪四等，故意杀奴婢仅处徒刑一年，过失杀奴婢无罪。而奴婢殴伤主人，即使是过失伤主，也要被处以绞刑。
部曲奴婢为主隐，皆勿论。疏议曰：“部曲奴婢，主不为隐，听为主隐，非谋叛以上，并不坐。”“诸部曲、奴婢告主，非谋反，逆叛者，皆绞。”除“十恶”罪外，奴婢不许告主。否则处以绞刑。
——《唐律疏议》
绿翘，在当时的身份不过是一个婢女而已。有人说，那是玄机倒霉，碰见了厉害的京兆府尹温璋。相传，这位京兆府尹十分严酷，正史亦称其“性黩货敢杀，人亦畏其严残”，于是很多人想，玄机落在这种人手里，不死还不丢半条命？但是我们不要忘记这一点，温璋的严酷不过杀人求名，吓唬百姓而已；史称其“黩货”也只是说明这个人很贪婪，而一个贪婪的人，是会按照情理而不是法理办事的。玄机出事后，“朝士多为言者”，结交的那些进士士子们也有做官的；她本身也应该不缺钱，这些年来来往往，相好的贴补甚多，连街卒都想打她的主意（借钱）；主人杀婢，按律不至死；更何况唐朝道教管理制度规定，道士、女冠犯罪须“准道格处分，所由州县官不得擅行决罚”。因此，温璋罚她很正常，杀她却没有理由。
于是，结论也可能是鱼玄机求死。
当人处在内心被撕扯的可怕状态时，心中的矛盾和焦虑会胜过理性，于是疯狂开始蔓延；而当顶点的积累终于爆发时，理性又会突然降临。玄机当初因为爱情的诱惑偏离了正轨，又因为那个梦的快乐而执意走了下去。也许，灵魂是真正得到了几丝安慰，只是为什么这么短暂？一次次恩爱幻灭，聚散无常，最常态的永远是看得到却得不到……她挣扎着，困惑着，撕扯着，她想弄明白为什么，想知道怎么办，直到绿翘一事的最终爆发。
一切都结束了，终于结束了。她很平静。
她被解下囚车，卸下枷锁后，鱼玄机最后望了一眼苍天，对穿着红色行刑服的刽子手平静地说：“时辰到否？”
刽子手说：“时辰将到。请鱼练师满饮此碗断头酒，来世再写诗。”
鱼玄机微微一笑说：谢了。她接过大碗，仰头一饮而尽，随后猛力一摔，大碗“啪”的一声响，在地上碎成无数片。
过了一小会儿，一声锣响，监斩官裴澄一声令下：“午时三刻到，斩！”
鱼玄机对刽子手说了声：“下手麻利些！”然后引颈就戮。
“咔嚓”一声，刽子手手起刀落，果然麻利！一颗美丽的头颅，滚落到了断头台下。断头处，血溅三尺。鱼玄机的身躯猝然倒下。一颗美丽的星就此陨落。阴沉沉的天，瞬时雷雨大作。
是年，鱼玄机26岁。她历尽波折变幻的一生就这样匆匆结束了。
世人皆称鱼玄机是天下第一淫荡的女人，但是我总是在想，她到底是怎样的一个女人？
千百年来，多少人在评论着：美貌、聪慧、多才、热情、坚忍、敏感、脆弱、放荡、纵情……我不知道这许多形容词里，有多少是真、多少是假？我宁愿穿过千年的时空隧道，去认识一个活生生的有血有肉的鱼玄机。
