ทางด้านตำรวจยศสูงต่างๆ ในสถานีตำรวจนนทบุรีได้ร่วมทำการสืบสวนสอบสวนในคดีนี้ และทราบว่าหมออธิปมีเพื่อนสนิทคือนายชูยศและนางสุขสมพ่อของเขาเคยเป็นคนไข้ของหมออธิปมาก่อน และรักษาพ่อจนหาย ทำให้ชูยศซึ้งในน้ำใจของหมออธิป ถึงขนาดยอมตายแทนหมอเลยแหละ
17 กันยายน 2502 หนังสือพิมพ์แต่ละสำนักต่างลงข่าวว่า นายชูยศ มีส่วนเกี่ยวข้องคดีฆ่านวลฉวี
ผลจากการชันสูตรนวลฉวี มีการเพิ่มเติมคือ ตอนที่เธอถูกแทงนั้น เธอไม่ได้สวมผ้านอกและจากการตรวจสอบบนสะพานพบรอยหยดเลือดเล็กบ้างใหญ่บ้าง แสดงถึงการเอาศพมาถึงที่จุดนั้น
หลักฐานการสืบสวนคดีฆ่านวลฉวีเพิ่มขึ้นอย่างไม่ขาดสาย ตำรวจพบกระดุมสีน้ำตาลแก่ตก 1 เม็ดบนพื้นถนนริมทางหลวง รอยเลือดจากราวสะพานเหล็กที่เป็นคราบสีน้ำตาล ฯลฯ
20 กันยายน 2502 ตำรวจบุกไปบานของนายชูยศในสวนบางบำหรุ ธนบุรี แต่ไม่มีคนอยู่ ประตูใส่กุญแจไว้ จากการตรวจสอบบ้านได้พบรอยเลือดที่พื้นบันได้หลังบ้าน ตำรวจจึงเก็บหลักฐานเพิ่มเติม นอกจากนี้ยังพบเลือดที่พื้นห้องครัวเรือนบนเตียงและที่พื้นบันได ทั้งพบหลอดยาเอทิลคลอไรด์ พร้อมมีดปลายแหลมในห้องครัว
27 กันยายน 2502 นายชูยศพร้อมภรรยาเข้ามอบตัวกับตำรวจ มีการสอบสวนนิดๆ หน่อยๆ ก่อนปล่อยตัวกลับไป โดยไม่มีการตั้งข้อกล่าวหา
14 ตุลาคม 2502 เจ้าหน้าที่คุมนายชูเกียรและภรรยาไปหาจอมพลสฤษดิ์ ธนะรัชต์(อีกแล้ว) เพราะคดีฆ่านวลฉวีดังมากในยุคนั้น และตัวจอมพลก็สนใจ แต่กระนั้นนายชูยศไม่ได้เข้าพบจอมพล มีเพียงแต่ภรรยาชูยศเท่านั้นที่พบ
นายกรัฐมนตรีถามนางสุขมภรรยาของนายชูยศ "มีความสัมพันธ์กับหมออธิปอย่างไร"
นางสุขุมคิดว่านายกถามเรื่องเงินทองๆ เลยตอบว่า "มี"
และแล้วรุ่งเช้าหนังสือพิมพ์ก็พาดหัวข่าว "นางสุขสมยอมรับจอมพลว่าเสียตัวให้หมออธิป!!" (ข่าวกรองมากๆๆ)
28 ตุลาคม 2502 นายมงคล เรื่อเรืองรัตน์ สัปเหร่อและช่างไม้ที่มีบ้านติดๆ กับนายชูยศมาก่อนถูกตำรวจควบคุมตัวที่วัดน้อยนางหงส์ ฐานสงสัยว่าเป็นคนฆ่านวลฉวีฆ่ามือ
30 ตุลาคม 2502 คำให้การพยานมากน่าหลายตา ทั้งเพื่อนของนวลฉวี ยามยาสูบ ให้การเป็นประโยชน์ต่อเจ้าหน้าที่ตำรวจ ตำรวจเชื่อว่าหมออธิปต้องเป็นฆ่านวลฉวีแน่นอนและไม่นานนัก ตำรวจก็สามารถจับผู้ต้องสงสัยฆ่านวลฉวีได้ยกแก๊งประกอบด้วย
นายชูยศและนางสุขสม ตัวกลางประสานแผนการ
นายมงคล เรื่อเรืองรัตน์ สัปเหล่อมือสังหาร เคยมีประวัติหนีคดีที่อื่นมาก่อน มีอาชีพเป็นสัปเหร่อและช่างไม้อาศัยอยู่บ้านแม่ยายติดๆ กับนายชูยศ
นายชูเกียรติ ผู้ช่วยฆ่า
นอกจากนี้มีผู้ต้องสงสัยอีกคือ นายยง ยิ้มกมล และนายเยี่ยม แต่ตำรวจกันไว้เป็นพยาน
ทั้งหมดให้การรับสารภาพในเวลาต่อมา....
น่าแปลกที่ผู้ต้องสงสัยทั้งหมดก่อนถูกจับไม่มีท่าทีคิดจะหนีสักนิด.....(พวกนั้นแก้ตัวว่าหลังทราบข่าว ทั้งแก๊งก็กลัวขี้หดตดหายไปแล้ว ส่วนผู้ว่าจ้างหมออธิปก็เงียบไม่มาช่วยวางแผนว่าเอาไงดีเลย ฮื้อๆๆ)
แต่กระนั้นช่วงเวลาการสังหารโหดนวลฉวี ตำรวจไม่เห็นภาพมากนัก ฆาตกรไม่ใช้มีคนเดียว มันทำเป็นหมู่คณะ ภายใต้การนำของหมออธิป ตำรวจเชื่ออย่างนั้น แต่ก็ไม่เห็นภาพวินาทีสังหารชัดเจนมากนัก แต่จากประมวลคำของพยานและหลักฐานวัตถุการสังหารนวลฉวีมีการวางแผนเป็นขั้นๆ เป็นตอนๆ เรียบเรียงได้ดังนี้..............
เริ่มจากหมออธิปคิดฆ่านวลฉวีภรรยาของตนเอง หมอคิดจะทำไงดี พอดีคิดได้ว่าตนมีเพื่อนสนิทแม้มันจะเลวสักหน่อยแต่ใช้ได้ หมออธิปเลยบึงรถไปที่บ้านของนายชูยศเพื่อนสนิทเพื่อต่อรองราคา....
"อั๊วจะฆ่าเมียอั๊วว่ะ เงินค่าจ้างมีเยอะ รวยซะอย่าง"
นายชูยศตกลงทันที เงินจำนวนมากสมน้ำสมเนื้อกับความเสี่ยง
ปีศาจในตัวหมอเริ่มแสดงบทบาทแล้ว!!
เดือนสิงหาคม เวลา 11.00 น.นายชูยศและนางสุขสม ไปที่สวนบ้านนายยง ยิ้มกมล ถามว่าแถวนี้มีใครมือดีบ้างที่สามารถฆ่าผู้หญิงโดยไม่มีหลักฐานนะ นายยงบอกว่ามีสัปเหล่อคนหนึ่งเห็นแกบอกว่าเคยฆ่าคนมาก่อน ว่าแล้วนายชูยศสนใจ จึงให้ภรรยาทำการว่าจ้าง นายยง ยิ้มกมล โดยจ้างนายยงเป็นเงิน 10,000 บาท ให้พานายคนนั้นมาหา โดยได้รับเงินค่าจ้าง 5,000 บาท ครึ่งหนึ่งไปก่อน
วันรุ่งขึ้น นายยงพาตัวนายมงคลมาหานายชูยศ นายชูยศบอกว่าให้ไปฆ่าผู้หญิงคนหนึ่ง และจะได้เงินว่าจ้างหมื่นกว่าบาท โดยให้เงินล่วงห้าห้าพันบาทก่อน
นายมงคล ตอบตกลงไม่มีลังเล
วันรุ่งขึ้น ทั้งหมดพบหมออธิปผู้ว่าจ้างตัวจริง นายชูยศแนะนำหมอให้ผู้รับจ้างทราบกันโดยทั่วกัน จากนั้นหมออธิปก็ให้เงินนายยง ล่วงหน้า 5000 บาท เป็นเงินมัดจำฆ่าคน จากนั้นหมออธิปก็วางแผนตกลงกันว่าจะพานวลฉวีภรรยาของหมอมาฆ่าโรงครัวบ้านหลังนี้ ส่วนเครื่องไม้เครื่องมือหมออธิปจะเตรียมไว้อีก ขอให้มาตามเวลากำหนด เข้าใจ๋!!
จากนั้นก็ถึงเวลาลงมือสังหาร วันที่ 10 กันยายน 2502
ตอนเช้าหมออธิปโทรศัพท์นัดนางนวลฉวีและรับนางนวลฉวีจากโรงพยาบาลยาสูบ โดยพาไปที่บ้านสร้างใหม่นายชูยศที่สวนบางบำหรุ
เวลาบ่ายโมงเศษ นายยง ไปที่บ้านนายชูยศ สมทบกับนายชูเกียรติ เพื่อดูสถานที่ทำการฆ่า เตรียมมีดปลายแหลม ผ้าพลาสติก และสายไฟคู่สีเหลือง 1 ขด และไม้ไผ่เพื่อหามศพ เตรียมเสร็จแล้วนายยงก็กลับบ้านนอนเอาแรง
5 โมงเย็น นายยง นายชูเกียรติ และ นายชูยศ พากันมาซุ่มที่ห้องน้ำรอดูหมออธิปพาผู้หญิงมาฆ่า
เวลา 18.00 น. เศษ หมออธิปนำนวลฉวีมาทางหน้าบ้านของนายชูยศ แล้วพาเข้าห้องครัว ปิดประตูลงกลอน หมออธิปรอจังหวะที่นวลฉวีเผลอโป๊ะยาสลบจนเธอนอนหลับ
หมออธิปหัวเราะฮิ ฮิ ชะโงกหน้าต่างเรียกลูกสมุน ก่อนออกจากห้อง ปล่อยลูกสมุนมาจัดการ
จากนั้นก็ถึงเวลาสังหาร!!
นายยงข่มขื่นนวลฉวี 1 ครั้ง นวลฉวีไม่รู้สึกตัวเพราะโดนยาสลบ
นายมงคลจับแขนซ้ายหญิงนั้นลงคร่งตะแคงทางขวา
จากนั้นนายมงคลได้หยิบมีดปลายแหลมทำการแทงนวลฉวีไป 3 ครั้ง นวลฉวีร้อง อึๆ นายมงคลแทงจนรู้ว่าเธอไม่น่ารอดแล้ว จึงบอกนายเยี่ยมน้องชายมาช่วย(ถูกกันไว้เป็นพยาน) "เมื่อข้าข่มขื่นเธอเสร็จแล้ว ข้าย้ายผู้หญิงลงครึ่งคว่ำตะแคงทางขวาของผู้หญิงคนนั้น จากนั้นข้าก็เอามีดสีขาวปลายแหลมที่พื้นกระดานปลายเตียงแล้วแทงผู้หญิงคนนั้นทางหลังไป 3 ที ไม่รู้ที่จุดตรงไหน ผู้หญิงคนนั้นร้อง ฮึๆ อือๆ สองสามครั้ง จากนั้นข้าก็ตามนายเยี่ยมมาช่วยหามศพ"นายมงคลบอกต่อศาล
จากนั้นทั้งสองคนช่วยกันเอาเสื้อชั้นนอกที่หัวเตียงสวมให้ศพ แล้วยกศพวางบนผ้าพลาสติกซึ่งปูไว้แล้ว นายมงคลเอาสายไฟมัดที่ข้อเท้าศพ มัดบั้นเอว และมัดที่หัวไหล่ จากนั้นก็ใช้ไม้ไผ่สอดใต้สายไฟที่มัดไว้แล้วหามศพออกจากบันไดหลังบ้าน โดยมีเลือดหยดตามพื้นเป็นรายทาง นายยงและนายเยี่ยมหามศพ ส่วนนายมงคลทำความสะอาดจุดสังหาร.....
ศพของนวลฉวีถูกขนย้ายผ่านสวนพจน์ที่อยู่ใกล้ๆ ที่เกิดเหตุ นายมงคลตามมา ทั้งสามข้ามคูถนนจรัลสนิทวงศ์ ลุยคูน้ำที่มีน้ำลึก 50 ซม. ไปหานายมงคลตรงหลักกิโลเมตรที่เดิม จากนั้นก็วางศพไว้ข้างถนน หมออธิปเปิดประตูรถ จ้างเงินค่าจ้างที่ค้างไว้ให้ทั่วหน้าทุกคน จากนั้นก็ช่วยกันเอาศพขึ้นรถ บรรทุกโฟล์คสวาเก้น กข.ข.0253 มุ่งหน้าไปทางสะพานพระราม 6
สำหรับไม้ไผ่หามศพ นายเยี่ยมเป็นคนนำไปทิ้ง แต่ทิ้งที่ไหนไม่มีใครทราบ
แต่อย่างไรก็ตามก่อนที่แก๊งทิ้งศพนวลฉวี มีรถคนหนึ่งผ่านมาเกิดสงสัยว่าทำไมรถถึงจอด รถเสียเหรอ เลยหยุดจอดถาม แค่ได้เสียงกระชากๆ ว่า "เปล่า" แทน
2 ทุ่ม ศพของนวลฉวีถูกทิ้งจากสะพานนนทบุรีลงแม่น้ำเจ้าพระยา ชาวบ้านแถวๆ นั้นได้ยินเสียงตูม! กันไปทั่ว
บ้ายบาย นวลฉวี...............
แต่อุตสาห์วางแผนอย่างดิบดี ดันมาพลาดเพราะแหวนวงเดียว โอยวันหลังหัดปลดเครื่องประดับบ้างสิโว๊ย!!
ขุนสุญาณเศรษฐกร บิดาหมออธิป เห็นท่าคดีนี้หมออธิปจะแพ้ จึงจ้างนายชมพู อรรถจินดา ทนายความที่มีชื่อเสียงด้วยจำนวยสูงลิบลิ่ว หมออธิปเริ่มมั่นใจว่ามีทนายฝีมือดีตนต้องชนะคดีแน่นอน
การพิจารณาศาลเป็นไปด้วยความดุเดือดเลือดพล่านเพราะมันเป็นคดีประวัติศาสตร์ที่ไทยต้องจารึก ใครแพ้มีหวังล่มจม....ส่วนประชาทั้งประเทศต่างจับจ่อคดีนี้แบบไม่กระพริบตา อยากรู้ว่าผลความยุติธรรมจะทำให้นักโทษทั้งหมดโดนประหารหรือไม่
"ถ้าผมจะฆ่าภรรยาผม ทำไมผมต้องจ้างคนอื่นให้เสียเวลาทำมาหากินด้วยละ สู้เอามือบีบคอภรรยาให้ตายคามือดีกว่ามั้ง" หมออธิปแก้ตัวต่อศาล