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。须将奸细确证予以死罪，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。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。
至于江南道监察御史张仲炘因此案借题发挥，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。（张奉连）