又过了一些时日，有两位新客来访鱼玄机，饮宴至酒酣耳热之际，一客人感到内急，忙到后院的紫藤花下小解，见一大群苍蝇聚集在浮土上，驱赶开后，又复聚过来。由是客人生疑：若无脏物，何来蝇聚?仔细一看，地上隐隐能见血迹，而且散发出刺鼻的腥味。客人出来后，将此蹊跷悄悄告诉了仆人。仆人回家后，又告诉了当衙役的哥哥。偏偏无巧不成书，这个衙役曾经打过鱼玄机的主意，被鱼玄机厉言拒绝后，一直怀恨在心。一听这事，便认为报复的机会来了，他立马来到咸宜观门外窥伺。他听到附近有人窃窃议论：真奇怪，为什么观里看不到绿翘的出入?于是，衙役叫来一帮兄弟，拿着铁锹，突然闯进咸宜观的后院，挖开紫藤花下的浮土，见到了一具女尸，竟然肌肤未腐，宛如生时，观中小道姑认出这就是绿翘。

　　鱼玄机被衙役们带到京兆府，府吏审讯了鱼玄机。鱼玄机为免皮肉之苦，一五一十地交待了杀人经过。很多官员都站出来替鱼玄机求情，京兆府无奈，只好将此案上奏皇帝。

　　轰动长安城的这桩杀人案，居然被提交到唐懿宗的御前。唐懿宗决定将此案交给著名酷吏京兆尹温璋来办。

　　温璋办案历来严酷，六亲不认，他曾将一个掏鸟窝的人判处死刑。在他担任京兆尹期间，长安城始终处于严打状态。但对鱼玄机杀人案，温璋却感到非常棘手。一是因为鱼玄机名气太大。很多官员都和她有一腿，求情的人络绎不绝，甚至黑社会都插手了，舆情容易影响判案。二是此案不同于掏鸟窝案，掏鸟窝没有相关的法律条文，可以听凭审判官判罪;而杀人案却有详细的法律条文。

　　按照《唐律》，奴婢“并同畜产”，乃“贱隶”。《唐律》规定：“诸奴婢有罪，其主不请官司而杀者，杖一百。无罪而杀者，徒一年。”绿翘是鱼玄机的侍婢，也就是说，不管绿翘有罪无罪，鱼玄机在这桩杀人案中都是不应该被判死刑的。也许是鱼玄机名气太大的原故，也许舆论是对判案的影响太大的原故，这样一个充其量“徒一年”的案子，酷吏温璋居然不敢判，又把案子上报给了皇帝，让皇帝亲自判决。然而，出乎所有人意料的是，不知道唐懿宗是出于什么原因，居然不顾《唐律》的规定，御前判批鱼玄机为斩刑。秋天一到，鱼玄机被处斩了。这一年，她才二十五岁，就这样匆匆走完了波折变幻，冰火悲凄的一生。

　　关于鱼玄机之死，晚唐的皇甫枚在《三水小牍》中这样记载：“一女僮曰缘翘，亦明慧有色。忽一日，机为邻院所邀，将行，诫翘曰：‘吾出，若有客，但云在某处。’机为女伴所留，迨暮方归院。缘翘迎门曰：‘适某客来，知练师不在，不舍辔而去矣。’客乃机素相暱者，意翘与之私。及夜，张灯扃户，乃命翘入卧内讯之。翘曰：‘自执中盥数年，实自检御，令有似是之过，致忤尊意。且某客至款扉，翘隔阖报云：‘练师不在。’客无言策马而去。若云情爱，不蓄于胸襟有年矣，幸练师无疑。’机愈怒，裸而笞百数，但言无之。既委顿，请杯水酹地曰：‘练师欲求三清长生之道，而未能忘解佩荐枕之欢，反以沈猜，厚诬贞正，翘今必毙于毒手矣，无天则无所诉，若有，谁能抑我强魂?誓不蠢蠢于冥冥之中，纵尔淫佚。’言讫，绝于地。机恐，乃坎后庭瘗之，自谓人无知者，时咸通戊子春正月也。有问翘者，则曰：“春雨霁逃矣。”客有宴于机室者，因溲于后庭，当瘗上，见青蝇数十集于地，驱去复来，详视之，如有血痕且腥。客既出，窃语其仆。仆归，复语其兄。其兄为府街卒，尝求全于机，机不顾，卒深衔之。闻此，遽至观门觇伺，见偶语者，乃讶不睹缘翘之出入。街卒复呼数卒，携锸具，突入玄机院发之，而缘翘貌如生。卒遂录玄机京兆，府吏诘之辞伏，而朝士多为言者。府乃表列上，至秋竟戮之。”

　　后世对唐懿宗的御前判案很不理解。但因为温璋是京兆尹，又是此案的判官，所以，后世把矛头都指向了他。说他本是鱼玄机的超级粉丝，追求鱼玄机好几年，鱼玄机却看不上他，于是怀恨在心，在办案过程中，利用职权，以别的罪名，将鱼玄机屈打成招。还有一种说法，说判案的是裴澄，也是因为被鱼玄机拒绝，而伺机报复。不管上述说法对不对，温璋都在为唐懿宗背黑锅。