兇手武士英、謀殺犯應桂馨被捕后，在應夔丞家中搜出趙秉鈞給他的密電碼一冊及密函一件，還有內務部秘書長洪述祖指示應桂馨行刺的函電多件。因此趙秉鈞引咎辭去總理職務。

此后，應桂馨從上海越獄逃往北京，向袁世凱索要暗殺宋教仁的酬金和被許諾的官職，袁世凱親自派軍政執(zhí)法處偵探長郝占一，在京津鐵路沿線的楊村，用電刀將應桂馨殺死。

趙秉鈞對袁世凱這種言而無信的行徑和毒辣的殺手頗為不滿，一面私自發(fā)電通緝暗殺應桂馨的兇手郝占一，一面當面抱怨袁世凱說：“你這樣做，以后誰還敢給你辦事？”

袁世凱佯裝不知推脫罪責，表面上對趙秉鈞仍保持和氣，又將趙秉鈞改任為直隸總督。但他在心態(tài)上已對趙秉鈞產生了反感情緒。

僅僅過了10余天，1914年2月27日晨，趙秉鈞的私宅中傳出一陣陣撕心裂肺的哭嚎?！翱偠讲∷懒?！”消息不脛而走，此時的趙秉鈞只有55歲。

當時，各大報紙的報道是，趙秉鈞在天津直隸總督署突然中毒，“腹瀉頭暈，厥逆撲地”，七竅流血而死亡。更有報紙寫的生龍活現，稱趙秉鈞之死是“1913年受袁世凱指使，布置特務暗殺宋教仁。案情揭露，改任直隸總督。袁世凱為滅口，次年把他毒死”。

趙秉鈞死后，袁世凱得知消息，立即下令按照陸軍上將例從優(yōu)議恤，特派朱家寶及其次子袁克文赴天津治喪，并發(fā)給治喪銀10000元。