Поддавшись панике, она допустила серьезную ошибку, поставившую ее планы под угрозу. Сначала проявив интерес к письмам, она вдруг заявила, что они ее совсем не заботят, поскольку все равно фальшивые. Якобы Сент-Круа подделывал письма, чтобы выудить из своих жертв хотя бы несколько ливров, и она не исключение. Более того, маркиза утверждала, что уже давно с ним не виделась. 11 августа печати на шкатулке были сломаны.

Интересы маркизы представлял ее поверенный. Было найдено подтверждение долга в 30 000 ливров, подписанное бывшей любовницей. Деламар уверял, что это подделка; однако содержимое шкатулки испытали на животных, и все они умерли. Таким образом, специалисты пришли к выводу, что в склянках содержался яд. 22 августа маркизу вызвали на графологическую экспертизу, на которую она не явилась, поручив Деламару выразить протест от своего имени. Тогда еще один герой дал о себе знать, а именно Попутчик, на протяжении семи лет работавший на Сент-Круа. Вначале он рассматривался как свидетель, но во время допроса сбежал из кабинета комиссара. Когда 4 сентября его поймали в Париже, то он сознался. Тем не менее маркизу долго не решались арестовать ввиду ее положения в обществе. Когда полиция наконец объявилась на пороге ее дома, госпожа Бренвилье уже преодолела часть пути в Англию.

В Париже тем временем начался процесс над Попутчиком. Он все отрицал, но его признали виновным в отравлении и казнили через четвертование на колесе, предварительно подвергнув допросу. Под пытками «испанским сапогом» он сознался в совершенных преступлениях, указав также на «госпожу Бренвилье». Когда информаторы, отправленные на поиски, напали на ее след в английской столице в ноябре, Людовик XIV, уделявший этому делу пристальное внимание, просил английского короля Карла II арестовать женщину и выдать, чтобы она предстала перед французским судом. Тот поначалу отказывался задействовать солдат своего королевства в задержании. Затем он согласился, но время уже было потеряно, маркизу предупредили, и она бежала из Англии в Нидерланды.

О том, как она жила в изгнании, истории неизвестно. Однако ее не переставали разыскивать и наконец арестовали 25 марта 1676 года в льежском монастыре, где она нашла пристанище. Во Францию она вернулась под вооруженным конвоем. На протяжении долгого пути, занявшего почти месяц, она трижды пыталась покончить с собой, заглатывая булавки или осколки стекла. К тому же она предпринимала попытки сбежать от своего стража, стрелка Антуана Барбье, и подумывала о том, чтобы подкупить его. Но все усилия оказались тщетны.

Первые судебные допросы начались еще во время этой поездки, в Мезьере. Маркиза все отрицала, утверждала, что ничего не помнит – ни сожженное поместье, ни письма, найденные у Сент-Круа, ни смерть отца и братьев. По прибытии в Париж 25 апреля ее заключили в Консьержери, стрелок Барбье по-прежнему был приставлен к ней. Ее «исповеди», задокументированные в Льеже, не использовались на суде ни обвинением, ни защитой, хотя адвокат маркизы, мэтр Нивель, утверждал, что она, очевидно, погрузилась в пучину безумия.

15 июля, во время допроса, продолжавшегося дольше трех часов, вся жизнь маркизы подверглась тщательному изучению и оказалась выставлена на всеобщее обозрение. Она не пыталась опровергать комментарии, которые касались ее личной жизни и преступлений и использовались против нее. Она снова и снова все отрицала, словно речь шла о совершенно незнакомой женщине и происходящее ее совсем не трогало.

16 июля вынесли вердикт. Маркизу де Бренвилье признали виновной в убийствах через отравление и приговорили к смертной казни. Приговор привели в исполнение на следующий же день. Но прежде чем подставить шею топору палача, она должна была покаяться перед главным входом в парижский собор. Туда ее доставили из Консьержери на телеге. Босая, преклонившая колени, с накинутой на шею веревкой и зажженной свечой весом в два фунта