很快，东台市公安局分管副局长在侦查报告上签字批准，要求深挖彻查，务必查清所有疑点。有了上级的支持和尚方宝剑，谷同山立即组建了由两名侦查员组成的专项调查组，于1998年12月1日动身前往大丰市，一场跨越两市的隐秘侦查就此展开。
调查组抵达大丰市后，首先联系了大丰市公安局，通报了案情，得到了当地警方的全力配合。调查的第一步，就是核实王素琴信中提到的孙哑巴。经过排查，大丰市交通局确实有一位姓孙的聋哑人，是单位的临时工，从事首饰加工工作。警方立即传唤了孙哑巴，通过聋哑学校老师的翻译进行询问。
面对警方的询问，孙哑巴情绪激动，通过手势和笔谈坚决否认教唆王素琴投毒和强奸的指控。他称自己确实认识王素琴，因为两人都是聋哑人，偶尔会有交流，但从未教唆她犯罪，更没有强奸过她。为了核实孙哑巴的说法，调查组询问了王素琴的妹妹王素明和孙哑巴的同事、邻居。王素明表示从未听说过姐姐被孙哑巴强奸，孙哑巴的同事也证明他平时为人老实，没有不良嗜好。结合其他证据，调查组最终排除了孙哑巴教唆和强奸的嫌疑，确认这是王素琴为了推卸责任编造的谎言。
排除了外部因素后，调查重点重新回到两任丈夫的死亡真相上。调查组首先前往大丰市第一人民医院和第二人民医院，调取了曾国祥和朱茂平的病历档案。在医院的配合下，调查组找到了当年负责诊治两人的主治医生。
负责诊治曾国祥的医生回忆道：当时病人送来时已经出现全身抽搐、意识丧失的症状，我们做了脑电图和ct检查，没有发现明显的大脑损伤，脑电图也没有典型的癫痫波，但病人的症状很像癫痫持续发作，所以只能按照癫痫进行治疗，不过治疗效果一直不好，病人的抽搐反复发作，最后家属要求出院，我们也没办法。负责诊治朱茂平的医生则表示：病人的症状是突然抽搐、颈部软弱无抵抗，但没有头痛、发热等病毒性脑炎的典型症状，我们也是按照病毒性脑炎进行试验性治疗，效果不佳。
医生的说法印证了谷同山的怀疑：两人的诊断都属于对症治疗，缺乏明确的病因依据。为了获取更权威的结论，调查组将病历档案送往盐城市公安局刑警支队法医科，请求进行法医学分析论证。盐城市公安局对此高度重视，组织了三名资深法医组成专家组，对病历进行全面分析。
经过一整天的反复研讨，专家组得出了权威性结论：第一，曾国祥诊断为原发性癫痫病依据不足。原发性癫痫多发于儿童或青春期，曾国祥发病时已37岁，且无任何发作史，脑电图和ct检查均无支持依据，其发病时的痉挛、呕吐等症状与癫痫不符。第二，朱茂平诊断为病毒性脑炎依据不足。
病毒性脑炎通常有发热、头痛等前驱症状，且会出现神经系统病理反射，而朱茂平并无这些症状，治疗反应也与病毒性脑炎不符。第三，两人均在进食后短期内发病，症状均为抽搐、呕吐、意识障碍，发作呈反复性，抗癫痫治疗无效，结合8·28案件中王素琴使用毒鼠强投毒的事实，符合毒鼠强或氟乙酰胺等剧毒鼠药中毒的临床表现。
法医的结论为案件调查提供了关键支撑。随后，调查组前往三龙镇曾国祥的家乡和沈灶镇朱茂平的家乡，展开实地走访。通过与死者亲属、邻居的交谈，调查组了解到更多关于王素琴的情况：她性格乖张，不安分守己，曾因与婆母不和放火烧房，被邻居及时扑灭；还曾离家出走，回来后与外人合伙偷窃家中钱财，被发现后仍不知悔改。更重要的是，两名死者发病时，都只有王素琴一人在身边，且都是在进食了王素琴准备的食物后发病，这与毒鼠强中毒的特征完全吻合。
在掌握了法医鉴定结论、证人证言等关键证据后，案件进入了攻坚克难的审讯阶段。由于王素琴是聋哑人，无法进行正常语言交流，审讯工作面临巨大挑战。为了确保审讯的合法性和准确性，谷同山做了充分的准备：聘请东台市聋哑学校的资深教师担任翻译，确保讯问内容和供述准确传达；将审讯地点设在看守所的会议室，既保持了审讯的威严，又避免了审讯室的压抑氛围，便于沟通；同时，提前制定了迂回突破的审讯策略，先从王素琴承认的8·28案件入手，逐步深入到两任丈夫死亡的核心问题。
1998年12月21日下午两点，审讯正式开始。谷同山坐在主审位置，翻译老师坐在王素琴身边，两名记录员分别负责文字记录和手势记录。审讯之初，谷同山没有直接提及两任丈夫的死亡，而是让王素琴重新供述8·28案件的经过。王素琴的供述与之前一致，没有出现明显破绽。随后，谷同山话题一转，询问她与孙哑巴的关系，王素琴起初仍坚持是孙哑巴教唆，但在谷同山出示了孙哑巴的证言和邻居的证明后，她的眼神开始闪烁，最终通过手势承认自己是为了推卸责任编造了谎言。
看到王素琴的心理防线出现松动，谷同山顺势问道：你的第一任丈夫曾国祥，他真的是得癫痫死的吗？听到这个问题，王素琴的身体明显一僵，低下头不敢直视谷同山的眼睛，双手紧紧攥在一起。翻译老师将她的反应准确传达给谷同山。我们已经去过你老家，也问过曾国祥的家人，他发病前身体很好，从来没有癫痫病史。谷同山语气平静却充满力量，我们还看了医院的病历，医生说他的症状根本不是癫痫。你老实说，他到底是怎么死的？
王素琴沉默了许久，突然用手捂住脸，肩膀开始颤抖。谷同山没有催促，给了她足够的时间。过了几分钟，王素琴抬起头，眼中满是泪水，通过手势和笔谈，开始断断续续地供述。随着她的供述，两起隐藏在自然死亡背后的谋杀真相逐渐浮出水面。
原来，王素琴与曾国祥结婚后，发现曾国祥有了外遇，她多次与曾国祥争吵，要求对方断绝关系，但曾国祥不仅不听，反而提出了离婚。王素琴性格刚烈，又担心离婚后自己和女儿的生活没有着落，一气之下产生了杀心。1997年3月6日上午，她借口赶集，到邻近的渔业乡斗龙街的小摊上买了一包毒鼠强，中午回家后，趁曾国祥不注意，将少量药粉搅拌到他的饭碗里。曾国祥食用后不久就出现抽搐、呕吐等症状，被送往医院后，由于当时毒鼠强中毒案例较少，医生未能准确诊断，最终医治无效死亡。
杀死曾国祥后，王素琴通过家人介绍，与朱茂平结婚。但她对这桩包办婚姻并不满意，朱茂平不仅性格木讷，还坚持要她再生一个孩子，并且不允许她外出做工，两人经常发生矛盾。1998年7月，王素琴再次产生了杀心。7月7日下午，她到大丰城办事时，在街边小摊买了两包毒鼠强，晚上回家后，将药粉撒在切开的西瓜瓤上，递给刚从工地回家的朱茂平。朱茂平食用后很快发病，同样因为医生未能诊断出中毒，最终死亡。
接连杀死两任丈夫后，王素琴自以为做得天衣无缝，没有人会怀疑到她这个弱女子身上。直到1998年8月，她在东台市汽车站遇到吴建明，为了筹集钱财，又一次使用毒鼠强作案，最终落入法网。而她写给妹妹的信，原本是想嫁祸他人，却没想到反而为警方揭开了更大的阴谋。
当王素琴供述完两起谋杀事实后，会议室里一片寂静。翻译老师的声音带着哽咽，记录员的手也在微微颤抖。谷同山看着眼前这个泪流满面的女人，心中五味杂陈。她既是心狠手辣的凶手，也是一个在婚姻中受挫的女性，但这都不能成为她剥夺三条生命的借口。
1998年12月25日，东台市公安局以王素琴涉嫌故意杀人罪、抢劫罪，将案件移送东台市人民检察院审查起诉。1999年3月，东台市人民法院公开审理此案，鉴于王素琴作案手段残忍，情节特别严重，依法判处其死刑，剥夺政治权利终身。