Une voisine signale la disparition de la laitière le 25 mars. La police fouille la chambre en ordre ; on y découvre quelques titres pour une somme de 240 francs mais l’enquête révèle qu’elle possédait un capital considérable dont il ne reste nulle trace.
Le 28 mars, Barré demande à Demol de descendre la malle et de la charger dans une voiture. Le clerc la trouve fort lourde : Barré lui explique qu’elle contient toutes les affaires de sa maîtresse. Le meurtrier se fait conduire à la gare de l’Ouest, prend un billet pour le Mans. Il fait enregistrer le sinistre bagage mais tandis que le train s’apprête à partir, descend du wagon. Le cadavre loin d’eux, les deux complices retrouvent leurs habitudes. Barré vit largement ; il a gardé pour sa maîtresse une part importante du butin, ne donnant à Lebiez que de petites sommes. Le 30 Mars, Léontine Lepin retourne à Angers avec 170 francs en poche et trois obligations que lui a glissé dans un livre son amant, sur le quai de la gare.
Le 6 avril, madame Jeanson, louant de nouveau la chambre du 42 rue Poliveau, découvre dans le placard les deux paquets morbides contenant chacun une cuisse et un bras ficelés. Les enquêteurs font vite le lien avec la disparation de madame Gillet, la laitière qui n’a donné signes de vie depuis dix jours. Ils sont confirmés dans leur idée quand ils constatent qu’un de bras présentent une blessure en cours de cicatrisation, une coupure dont souffrait la disparue. Ils interrogent Madame Ancel, proche de la laitière, qui les met sur la piste d’un jeune agent d’affaire qu’elle a recommandé à madame Gillet.
La rue Poliveau en 1865
Pendant ce temps, les meurtriers semblent se croire hors de tous dangers. On les voit dans les cafés et les lieux publics, commentant ce que les journaux ont désormais nommé « Le mystère de la rue Poliveau ». Lebiez donne une conférence sur Le darwinisme et l’Eglise, défendant à qui veut l’entendre que « le plus fort tend à étouffer le plus faible ». Il y tient un discours virulent, athéiste, volontairement provoquant, concluant ainsi : « Libre de toute entrave, la science doit marcher vers son but ; la vérité et le savant doit pouvoir dire sans crainte, en parlant de la science Biblique, ce que Laplace disait de Dieu : Nous n’avons pas besoin de ces hypothèses-là ! » Il est payé 8 francs qu’il dépense immédiatement en boisson. Barré n’oublie pas sa maîtresse : il lui envoie un bracelet accompagné d’un billet de 500 francs. Il la rejoint à Angers le 14 avril et lui remet 800 francs. Ces cadeaux finissent par attirer la suspicion de Léontine qui l’interroge sur l’origine de sa fortune. Barré lui révèle qu’il a commis un vol mais assure que, par une étrange coïncidence, la victime a disparu sans qu’il n’en soit responsable. Inquiet de se voir interrogé sur ses liens avec madame Gillet et ses dépenses, il arrive à convaincre Léontine de faire écrire par l’une de ses amies, une fausse lettre de prêt d’argent qui servira à justifier sa fortune nouvellement acquise s’il devait être interrogé.
Dans un même temps, les enquêteurs réussissent à retrouver une partie des titres négociés chez des agents de change. Ils interrogent Demol qui nie connaître l’origine criminelle des obligations et leur révèle être au service de Barré qu’il n’imagine aucunement être coupable de quelque délit que ce soit. A son retour à Paris, le jeune homme est convoqué. Sûr de lui, il reste très calme ; il va jusqu’à proposer ses services aux inspecteurs. Mais la logeuse de la rue Poliveau croit le reconnaît malgré sa barbe récemment rasée. Les preuves s’accumulent contre lui : le tissu qui a servi à transporter le corps correspond à ses chemises – elle porte les initiales du mari de sa maîtresse – et on découvre dans sa chambre une partie des titres volés. Barré finit par tout avouer et dénonce Lebiez, son complice. Ce n’est pas une surprise pour les enquêteurs : Demol leur a déjà parlé de l’étudiant en médecine. Le soir même, ce dernier est arrêté alors qu’il se trouve au lit avec sa maitresse. Le 21 avril, les deux assassins sont sous les verrous. Léontine Lepin est également arrêtée à Angers : elle est surprise dans une maison close en pleine débauche avec un homme et une autre prostituée. Les enquêteurs saisissent sur elle, les obligations offertes par son amant. Sur les aveux de Barré, les enquêteurs retrouvent la malle à la gare du Mans avec son sinistre chargement.