石川在搬进刘棻家的次日（1894 年8 月4 日）清晨，就被天津城守营拿获，当日，天津海关道盛宣怀即向李鸿章汇报此事。在初审中，石川口风很紧，坚不承认自己的间谍身份。
而受托分别为中日两国护侨的美国，则开始积极干预此案，婉转希望“如遇有日本人改装在内地作奸细者，即将其解交就近海口逐其回国，使之不得与内地华民交接，于中国防泄军机似亦为无碍，且此办法，已足为惩其作奸细之罪”。美国的逾情之请，被中国政府拒绝，总理衙门表示将根据国际公法，处死战时间谍。
石川被捕后第十天（8 月13 日），上海法租界又破获楠内有次郎、福原林平间谍案，两人随即被租界当局送交美国驻上海总领事馆庇护。六天后（8月19 日），藤岛武彦、高见武夫在浙江被捕。此三案因美国插手而相互关联，其中最早且危害最大的石川一案，成为关键焦点，关联到另两案的处理思路。美国插手的三个案件，石川的情节并不复杂，却牵扯更深。除了中美关系外，还卷入了朝廷内部的*。反对李鸿章的一派，拼命想利用此事，连章弹片，指责或影射李鸿章等。而李鸿章也确有难言之隐，因泄密的军械局，其总办正是李鸿章外甥张士珩。
张士珩的母亲是李鸿章的长妹。这张士珩其实还算是一位能吏，在他任内，每得一件新式军械，必考辨其形质、度数，穷幽洞微。他一生都在从事军火生产，自己也成了一名军火专家。但因为是李鸿章的外甥，成为李鸿章政敌们的主要突破口之一，仕途上颇有蹉跎。
在沉默了十二天后，李鸿章于8 月15 日向总理衙门正式报告石川一案，但称仍在审讯中。
至此，石川一案已经与前线军情、中美外交及中国内政瓜蔓相连，日本人也知道其已无生望。在华间谍首脑宗方小太郎感叹道：“潜伏于天津之石川清末天津法租界码头，左上建筑为天津海关。终死于豚奴之毒刃，亦不失为一世之快男儿也。足以愧死肉食苟安之惰夫矣。予望其从容就死，示奴辈以神州男儿之真面目。”
石川伍一案件迅速引起光绪皇帝的亲自关注。8 月28 日，军机处转达谕旨，要求李鸿章彻查此案。次日，美国外交机构直接插手，其驻天津领事根据驻华公使田贝指令，发函李鸿章，要求将石川释放回日本，理由是“日本声称此人并非间谍”。
李鸿章命津海关道盛宣怀与美方交涉。盛宣怀在发给美国领事的回函中，对美国的要求进行了有理有据有节的严词驳斥：“本道查《中日修好条规》载明，两国商民，均不准改换衣冠。是两国和好，尚然有此禁例。现在两国失和，忽然改装易服，潜匿民家，四出窥探，其意何居？ 况日本领事出口之后，日本人之在中国口岸者，已由贵国兼理。该犯石川尽可安寓租界洋行，何以假冒华人，私至城内居住？……至该犯被获之时，形迹可疑之处，不一而足，其为间谍无疑。……石川一犯自应由中国官密访确情，彻底根究，未便遽行开释。”9 月1 日，光绪皇帝再度就石川一案向李鸿章发出密谕，要求他“严行审讯，如究出探听军情等确据，即行正法……不得稍涉宽纵”。
朝廷坚定了彻查此案的决心，天津的办案取得了明显进展。9 月17 日，李鸿章向总理衙门提交了结案报告：“前获倭人石川伍一，饬县屡讯，供词狡展。须将间隙确证予以死罪，始无碍在倭华民。八月初四日（9 月3 日），饬津海关道盛宣怀严密根究，传到崔姓等，曾在倭武员处服役。人证确凿，即提石川伍一，与已革书吏刘棻质讯，无可狡辩，始均供认：前驻津之倭海军武员井上敏夫等曾嘱石川伍一转托刘棻，私抄中国海军炮兵数清单，给过谢礼。宣战后，倭员回国，留探军情，改装华服，以七月初四日（8 月4 日）潜行至刘棻家藏匿，当日即被军械局会同官弁获住等语。严讯王大，并无知情同谋。初九日（9 月8 日），奉电旨，复审石川伍一等，供均如前。……石川伍一拟按公法，用枪毙击毙；刘棻即行正法。”9 月20 日，石川伍一及刘棻在天津被处决，轰动全国，报章均有报道。《字林沪报》报道称观者如潮，行刑后“但闻一片声叫好不绝”。当日，李鸿章将该案所有案卷包括两人的供词等呈交总理衙门。10 月8 日及27 日，美国干预的另两起日本间谍案的主犯，也分别在南京和杭州被处决。
在甲午战争期间被捕的所有日本间谍中，最先被处决的石川伍一是唯一执行枪决的，其余均被斩首，或许这与李鸿章希望给美国留点面子有关。美国朝野对中国“酷刑逼供”和“残忍处决”日本间谍广泛表示不满。但当时外界谣传石川伍一被处最残酷的凌迟，宗方日记中记载道：“被拘禁于天津之同志石川伍一于九月二十日在天津城西门外被处磔刑，军械局之刘某亦同时被斩首云。不堪痛恨惋惜之至！”与石川相关的高升号事件，折腾十年后以中国赔偿船费而告终；另一重庆号事件，由大沽炮台以二十一响礼炮的最隆重军礼向重庆号道歉而结束；美国国会则因政府在间谍案处理过程中对中国的“过分软弱”，而险些启动弹劾案。
至于御史因此案借题发挥，指控李鸿章通敌一事，在弹章上奏的次日，军机处便拿出了处理意见，除了需对张士珩涉嫌采办军械时以劣充好查证外，其余各项指控，“皆系影响之词，暧昧之事，碍难查办”。 张士珩最后以玩忽防务而被革职。李鸿章后来激烈指责“言官制度最足坏事”：“当此等艰难盘错之际，动辄得咎，当事者本不敢轻言建树，但责任所在，势不能安坐待毙。苦心孤诣，始寻得一条线路，稍有几分希望，千盘百折，甫将集事，言者乃认为得间，则群起而讧之。朝廷以言路所在，有不能不示加容纳。往往半途中梗，势必至于一事不办而后已。大臣皆安位取容，苟求无事，国家前途，宁复有进步之可冀？”
石川伍一若知晓他的案件居然引发如此剧烈反响，不知会做何感想？
