赶到杭州城办理中举事宜（中举者须在张榜后两三个月内办理确认和报到手续，否则将视为弃权处理），初三离开杭州城，直接赶往南乡詹耀昌家祭奠。与他一同前往的还有监生吴玉琨（詹耀昌的干兄弟）、沈兆行、孙殿宽等人。此后，杨乃武一直呆在岳父家。十月初五举行詹善政的过继礼时，在场的杨乃武、吴玉琨、沈兆行、孙殿宽、杨乃武的堂兄杨恭治等人都在过继书中画押作证。直到十月初六，杨乃武才返回余杭家中。正因为有许多人证，杨乃武有恃无恐，他坚信刘锡彤的诬赖根本无法得逞。
另一边，刘锡彤也在积极行动，十月十二号一早，他便将连夜写好的呈文送报杭州知府陈鲁，称杨乃武涉嫌通奸谋毒，要求革去其举人身份。按照清朝制度，革去功名需由巡抚上报朝廷具题。陈鲁与刘锡彤关系密切，见刘锡彤一再强调事关重大，也极为重视，立即呈报给浙江巡抚杨昌浚，再由杨昌浚向朝廷具题。吏部接受具题后，研究是否批准革去杨乃武举人时，同治皇帝知道了此事。这位皇帝自登上皇位那一天起，便一直生活在其母慈禧太后的阴影下，处处受到掣肘。不过他有一位很好的皇后阿鲁特氏，帝后感情很深，因而最恨奸夫淫妇这类的事，便亲笔在杨昌浚的具题上批道：“杨乃武著革去举人，其因奸谋死本夫情由，著该抚审拟。”
在批文下达前，监生吴玉琨、詹善政等人联名向刘锡彤递交了公禀呈词，联合证明杨乃武十月初五人在南乡，根本不可能当面交给小白菜砒霜。刘锡彤便安排杨乃武与小白菜当面对质。小白菜害怕受刑，一口咬定原供属实。杨乃武当场破口大骂，怒斥小白菜信口雌黄。小白菜默然低头，内心无限愧疚。由于革除杨乃武功名的批文还没有到达，刘锡彤不便对杨乃武用刑，但认为根据小白菜的供词已经开始定案，便当场判定吴玉琨等人是作假证以为杨乃武开脱，只将结果详报上司杭州知府陈鲁。
！｝十月二十日，刘锡彤将人犯杨乃武、小白菜，人证喻氏、王氏、詹彩凤等及相关卷宗解押到杭州城，但却有意扣押了吴玉琨等人递交的杨乃武十月初五不在余杭的证词，没有上交。不但如此，刘锡彤还亲自赶到杭州，上下活动，将小白菜“十月初五日杨乃武亲自交给我砒霜”的供词改成了十月初三。
｛人1｝杭州知府陈鲁是靠军功起家，最看不起文人，认为他们只会吟风弄月、聒噪惹事。对于杨乃武之名，他也早有所闻，据说此人恃才傲物，好议短长，且惯作谤诗，毁谤官府，还曾经在仓前镇率领粮户闹粮，因而他一开始就对杨乃武印象极坏。刚好此时，朝廷革除杨乃武举人身份的批复已到，陈鲁一开始审讯，不问其他人，先逼取杨乃武的口供。杨乃武依旧傲气十足，拒不招供，陈鲁便命人对其严刑拷打。凡是杭州府有的酷刑都使出来了，如杖打、上夹棍、跪钉板、跪火砖、吊天平架等等。杨乃武本来恨极小白菜攀诬自己，在刑讯中几次死去活来后，才对小白菜的处境有了刻骨的体验。在那样的折磨下，他唯一的想法就是只求速死。最终，他如同小白菜一样，也没能熬住酷刑，被迫诬服招供。
！｝涉案的两名犯人均已经招供，剩下就是追查毒药的来源——杨乃武是在哪里买的砒霜。杨乃武从来没有买过砒霜，根本无从回答，但被拷打得急了，突然想起来曾经见到仓前镇有一家“钱记爱仁堂”药铺，便供认说：“十月初三，我假称要毒老鼠，花了四十文钱在钱记爱仁堂铺内买了红砒，交给了葛毕氏（小白菜）。”陈鲁又问药铺老板叫什么，杨乃武信口答道：“钱宝生。”于是陈鲁派刘锡彤到仓前镇缉捕“钱记爱仁堂”药铺的老板“钱宝生”，以获取罪证。
1｝十月二十七日，刘锡彤回到余杭，没有直接派人去仓前镇“钱记爱仁堂”找“钱宝生”，而是先找来训导章濬（章纶香）商议如何应付。可见他内心已经知道“钱宝生”不过是杨乃武为了避免受刑随口捏造出来的名字。章濬素来厌恶杨乃武，当即向刘锡彤献计，由他先写信通知“钱宝生”，要钱大胆承认卖过砒霜给杨乃武，便决不治罪。如果钱不承认，有杨乃武亲口供词为凭，反而要加重治罪。
“钱记爱仁堂”药铺的老板被带到县衙后，称自己名叫钱坦，也叫钱鹿鸣，但就是不叫钱宝生。而且他药铺从来没有卖过砒霜，也从来没有见过杨乃武。这样的证人如果送去杭州，不是反而为杨乃武开脱吗？刘锡彤一时十分着急，对钱坦一再威逼利诱，要他承认自己就是钱宝生，且卖过砒霜给杨乃武。不料钱坦为人尚有正义感，知道事关人命，坚决不肯同意作伪证。
正在僵持之时，钱坦同父异母弟钱垲得知兄长无故被抓进县衙后，非常着急，也不问明究竟，就开始四处打点。他知道秀才陈湖与知县刘锡彤关系密切，便托陈湖出面。陈湖并不了解事情经过，不过他一向好事，为了显示自己与知县大人关系非同一般，也不事先与刘锡彤打招呼，直接就带着钱垲来到县衙。二人到达之时，刘锡彤正与钱坦密谈，二人只好在外间等候。刚好此时门丁沈彩泉进来，陈湖由此得知了事情经过。他当然希望杨乃武死无葬身之地，便主动向钱垲晓以利害：说杨乃武已经招供买砒霜是毒老鼠，如果他哥哥钱坦不承认，就是包庇杀人犯，也要被同判死刑；如果承认，顶多是杖责而已，决不会吃官司。钱垲听了大吃一惊，等哥哥钱坦出来，急忙力劝他承认就是“钱宝生”。陈湖也向钱坦保证不会送他去杭州作证。钱坦犹豫后，终于还是答应了，当场在县衙门房里写了一张卖砒霜给杨乃武的具结（旧时交给官府的一种画押字据）。刘锡彤得到具结后大喜过望，又担心钱坦反悔，亲笔写下“此案与钱坦无干”的保证书，随即放钱氏兄弟回家。
同治十二年（1873）十一月初六，“钱宝生”的卖砒霜具结送到杭州，杭州知府陈鲁认为案情已经大白于天下，随即根据供词及具结定案：小白菜因奸同谋杀死亲夫罪凌迟处死，杨乃武以起意杀死他人亲夫罪斩立决。
清朝制度，死刑案件要逐级审理，陈鲁的二审后，判决还要上报浙江按察使司（掌全省案狱的专职机构）核准。此时，卷宗中记载死者葛品连的“口鼻流血”已经被改为“七窍流血”。
浙江按察使蒯贺荪也是举人出身。因为举人前程远大，能够轻易娶到美貌的三妻四妾，杨乃武为一个出身低贱的小白菜下毒杀人，在当时简直是匪夷所思之事。因而蒯贺荪接到案卷后，对于杨乃武不顾举人身份因奸谋毒感到不可理解。为此，他详细阅览了全部卷宗，并亲自对杨乃武、小白菜进行了两次讯问。杨乃武、小白菜经过残酷的身心折磨后，均已经心灰意冷，毫不反抗，竟然没有把握住这一大好的翻案机会，依旧照前供述。蒯贺荪还不放心，又向负责初审的刘锡彤和二审的陈鲁询及案情的经过，是否有可疑的情况。刘锡彤和陈鲁均拍胸脯保证，说此案铁证如山，绝无冤屈。蒯贺荪见此，就召案犯、证人画押通过，将案件按照杭州知府陈鲁的意见上报浙江巡抚杨昌浚。
杨昌浚接案后，照例提审了杨乃武、小白菜，但二人担心再次遭受皮肉之苦，均依样画供。杨昌浚于同治十二年（1873）十二月二十日结案，将结果上报朝廷。只等朝廷批准，就可对杨乃武、小白菜执行死刑。
肆、上北京告御状
杨乃武无辜蒙冤后，其家人一刻也没有放弃营救的希望。其妻詹彩凤刚刚分娩产下长子，行动不便，其姐杨菊贞不顾旧时女人不便抛头露面的习俗，外出多方打探，还亲自跑到仓前镇找到“钱记爱仁堂”药铺，经询问钱坦的母亲姚氏和爱仁堂的伙计后，得知他们药铺从来没有卖过砒霜。杨菊贞知道弟弟冤枉，发誓拼死也要挽救弟弟性命。
不过能不能成功翻案，杨菊贞心里也没底。她特意到杭州城隍山城隍庙求签，占卜命运。结果求到一支签说：“荷花开处事方明，春叶春花最有情。观人观我观自在，金风到处桂边生。”测字先生解解释说，到荷花开时，冤情可以洗刷，桂花开时，人就可以平安归来了。她又去扶乩，批了两句诗说：“若问归期在何日，待到孤山梅绽时。”都是说杨乃武还有救，这给了杨菊贞莫大的鼓舞和信心。
而狱中的杨乃武得知案情已经上报朝廷后，知道刑部批复一旦下来，那就是铁板钉钉，再无翻案可能，自己的人头就此落地不说，还永久地背上恶名，连累家人。一想到莫名其妙地遭此大难，他又不甘心起来，便在狱中写了一张申诉状，说自己是遭小白菜攀诬在先，被审判官屈打成招在后。在申诉状中，杨乃武列举了八大疑问：如为何不让他本人与“钱宝生”当面对质；如果他与小白菜有奸情，他又怎么会有意提高房租迫使她搬家等等。
值得一提的是，杨乃武还在申述中大力攻击了小白菜，甚至编造了许多并不存在的谎言：如说小白菜与余杭粮胥何春芳有不轨行为，杨乃武发现后告诉了葛品连，葛品连为此打了小白菜，小白菜从此对杨乃武怀恨在心，所以才攀诬与其通奸谋毒；又说知县刘锡彤之子刘子翰与捕役阮德曾经向杨乃武敲诈勒索钱财，因未能得手，一直寻机报复，于是就诬陷杨乃武与小白菜偷奸。这些故事都是杨乃武临时捏造出来的，一是可以报复小白菜对他的诬陷指证，二来可以证明小白菜与自己早有嫌隙，有诬陷的动机，翻案更加顺利。但后来的事实证明，他将为这些谎言付出惨痛的代价。
这张申诉状写好后被杨乃武的家人分抄送到杭州各级衙门，包括浙江巡抚和浙江按察使司，但基本上石沉大海，毫无动静。杨菊贞见地方官员根本不重视，终于决定去北京告御状。同治十三年（1874）四月，杨菊贞带着弟弟杨乃武在狱中写就的申诉材料，踏上了赴北京的漫漫长路。同行的还有杨乃武岳父家的长工王廷南和王阿木。三人先从杭州到上海，再从上海乘轮船到天津，再从天津走陆路，历时二十余天，这才到达北京。
因为女子不能出面，杨菊贞不得不委托长工王廷南到都察院递交申诉材料。递交之前，需要先将递交人情况报告给都察院。不料王廷南走到都察院门口时，突然害怕起来，无论如何都不敢进去。王阿木只好冒称自己就是王廷南，代他递交申诉状。
都察院接到申诉状后，认为杨菊贞、王廷南等人违反律制越级上告，不予受理不说，还派人将三人押解回乡，严厉警告三人不准再告。不过，都察院作为最高监察机关，也不是全无作为，还是下了一纸公文给浙江巡抚杨昌浚，要他重新复审此案。杨乃武、小白菜案在当时看来是大伤风雅的事情，杨昌浚不愿意理会这等案件，也不觉得案情有什么可疑之处，便将案情转交给杭州知府陈鲁复审。陈鲁装模作样地又传讯了地保王林、房东王心培等证人，结果跟原审无异。杨昌浚按照原审判决上报都察院。都察院见复审没有发现什么疑问，便同意结案。
在这期间，杨菊贞多次到仓前镇“钱记爱仁堂”药铺找关键证人钱坦，也就是所谓的“钱宝生”，声泪俱下地请求他能站出来说实话。钱坦不敢招惹知县刘锡彤，为了避免杨菊贞纠缠，干脆躲了起来玩失踪。杨乃武家人还多次去找原告葛品连的母亲喻氏，请求她撤诉，并愿意以黄金地产酬谢。但喻氏一是想为儿子报仇，二是畏惧官府势力，没有答应。分娩不久的杨乃武妻子詹彩凤多次带着襁褓中的孩子到衙门哭诉冤情，均无结果。
本来这件案子看起来已经毫无扳回的希望，但却意外因为媒体的介入而有了转机。案情发生后的第二个月，新创刊不久的《申报》（由安纳斯脱美查等英国商人创办于同治十一年，是中国最早的报纸之一）便对案件作了报道，开始还是作为地方上的桃色刑事案件来写，不过是要娱乐一下大众。但后来随着案情反复审理，甚至都察院都介入了，《申报》开始作大版面的跟踪报道，一时之间，浙江和北京两地无人不知无人不晓，并且越来越多的人开始关注此事，这其中就有著名的红顶商人胡雪岩。
胡雪岩，名光墉，字雪岩。他是中国历史上著名的徽商，其人生经历跌宕起伏，充满了传奇色彩：他本贫穷出身，幼年帮人放牛为生，长成后从钱庄学徒开始做起，通过结交朝中权贵显要王有龄、左宗棠等人，纳粟助赈，为朝廷效力，一跃成为显赫一时的红顶商人。其势力最盛时，整个江浙商业都在其操纵下，资金达两千万两以上，田地在万亩以上。
杨乃武案发生时，胡雪岩正在杭州筹办胡庆余堂中药店。他有一个幕友名叫吴以同，刚好与杨乃武是同科举人。吴以同与杨乃武相交颇深，知其为人正派，此案必有蹊跷。他将杨乃武的情况告诉了胡雪岩。尤其当胡雪岩得知杨乃武姐杨菊贞正准备二次进京、冒死上告时，深为感动。他派人将杨菊贞接到自己的住处，表示愿尽绵薄之力，资助她上京的全部费用。
正在这个时候，浙江籍官员翰林院编修夏同善因丁忧期满，准备起程回京。胡雪岩为其饯行时，有意让吴以同作陪，席间趁机说了杨乃武一案的经过。夏同善深为震惊，当即答应要鼎力相助。
同治十三年（1874）七月，杨乃武妻子詹彩凤带着母家帮工姚士法再次进京告状。到达北京后，二人先去找了夏同善，夏同善暗中指点二人不要再将申诉状交给都察院，而是转交给步军统领衙门。申诉状递进去后，更是被《申报》以《浙江余杭杨氏二次叩阍原呈底稿》为题全文刊登出来。尤其《申报》还进一步地比较中国与西方国家的法律现状，对于中国司法中的秘密审讯、滥用刑罚和官官相护等弊端给予了强烈的抨击。一时间，朝野上下都在谈论杨乃武一案。步军统领衙门倍感压力，便将申诉状上奏慈禧太后和同治皇帝。不久，谕旨下达，要求浙江巡抚与浙江按察使重新复查此案。
浙江巡抚杨昌浚接到谕令后，为了表示不先入为主，秉公执法，不枉不滥，将案子委托给新到任的湖州知府锡光和绍兴知府龚嘉俊、富阳知县许嘉德、黄岩知县陈宝善四人共同审理。此次复审，杨乃武见审讯官员换了一拨新人，料到事情有了转机，便立即推翻原供，声称自己与此案根本没有任何关系。小白菜见这次没有动刑，也趁机翻供，坚决否认自己毒死了丈夫。
锡光虽然刚刚到任，却是个老滑头，一看情况不妙，审了一次后就托词不再参与，审讯官就剩下了绍兴知府龚嘉俊和知县许嘉德、陈宝善。但审了几次，两名主犯就是不认罪，三名审讯官也不知道该如何处理。正是尴尬之际，同治皇帝突然驾崩，全国举哀，审案就此暂停。拖了一段时间后，三名审讯官也不管案件依然悬而未决，主动向杨昌浚递了辞呈，请求另派大员来审理。
光绪元年（1875）正月二十日，光绪皇帝（帝名载湉，醇亲王奕子）即位，年仅四岁，由慈禧太后垂帘听政。本来新皇帝即位，照例要大赦天下，但杨乃武、小白菜一案因审而未结，且案情重大，悖逆人伦（古代妻子杀死丈夫是以下犯上，被视为“逆伦”），因而不在特赦之列。不过之前审案时杨乃武、小白菜双双