接着，巡捕警探们立即将牛兰押解到他的另一活动点南京路四十九号C字三十号房间，在搜查中获得信件与报纸很多，警探又用牛兰的钥匙打开另一个小房间，发现里面除文具衣饰外，还摆着三个保险柜。警探们找来锁匠，打开第三号保险柜，从中取出一、二号保险柜的钥匙，将这两个保险柜也一一打开。在这三个保险柜内，警探门共搜出六百多份文件，其中重要的有七十六份，内有共产国际对远东与东南亚各国共产党的指示，有远东局向共产国际总部的报告。
警探们还在房间书桌上发现一张用法文写的字条，上面写着：“我今天下午两时半再来”。
显然，这是另外一个人给牛兰的留条，告诉牛兰将于当日下午来这里与他会见，于是警探们在搜查完后便躲在房内守候，并将房门关上，一切不露痕迹。
到了下午二时半，果然有人自行用钥匙打开房门，迳直闯入。警探们看到这是一位用手提皮包的女人，便立即用枪逼住她。那女人见情况有变，乃佯称：“我走错了房间。”说著就想退出房间逃走。但已经迟了，在她身后也出现了警探，这女人当即被捕。果然她就是牛兰的夫人汪得利曾，警探们打开她的皮包，搜出一张收据，得知她在上海西郊愚园路宏业花园第七十四号有一住处。
警探们立即赶往宏业花园第七十四号搜查，结果查明汪得利曾在上海还有一住处——赫德路六十六号。警探们赶到这里，搜出许多上海各银行的存折，存款总数高达四万七千元。这都是共产国际通过远东局提供给远东与东南亚各国共产党及红色工会组织的活动经费。
牛兰夫妇在被捕后，租界巡捕房多次对他们提审。但此两人拒不暴露自己的身份，然而，过了一段时间，巡捕房通过其他途径，才终于查清了牛兰夫妇的真实情况。
先是在一九三一年六月二十二日，担任中共中央总书记的向忠发在上海被捕。此人立即叛变，在供词中也交代了有关牛兰的情况。他说：“共产国际驻上海之东方部负责人，前为米夫，现已回国。现由波兰人负责。该波兰人自称为比国人，现因事被关押在英租界捕房……。”国民党中统局的上海特区与租界巡捕房联系，很快确认了牛兰夫妇的身份。
接着，国民政府驻南非的总领事馆向国内提供了一张照片，这是一九二七年第三国际在南非召开第五次代表大会时的合影照片，其中就有牛兰与汪得利曾。中统局的专家与租界巡捕房合作，对这张照片仔细确认，再次确认了被捕的牛兰夫妇是共产国际的重要活动份子。
牛兰夫妇的真实身份完全的暴露了。
四
牛兰夫妇的被捕和他们真实身份的暴露，以及大量机密文件与资金的被查抄缴获，给共产国际在中国与远东的活动造成了极大的损失。
首先，它使共产国际在中国的各组织几乎全部陷入瘫痪或瓦解状态，因为他们的成员彼此了解得太深了，由于牛兰夫妇的被捕，其他成员只得紧急撤离或停止活动；同时它使中国共产党组织与共产国际的联系一度完全中断。
不仅如此，牛兰夫妇的被捕事件还牵连影响到亚洲其他各国的共产组织：根据从牛兰处查获的文件，英国租界当局证实了不久前共产国际远东局在香港成立了一个分支机构——“南方局”，又称“香港分局”。上海英租界当局与香港英政府当局联系。恰在牛兰被捕前几天，香港英国警察在那里捕获了一名安南共产党人阮爱国，现得确认，他就是南方局负责人胡志明。
同时，从牛兰处查获的文件中，发现了好几名与共产国际远东局有联系的日本共产党员。英租界巡捕房将材料转交给日本政府警方，日警也投入对日共产党员与当时正在日本工作的中共党人的追捕。
因此，牛兰案成了轰动中外的重大国际政治案件。
再说牛兰夫妇被捕后，被英租界巡捕房关押审问约两个多月。一九三一年八月九日，在英租界的江苏高等法院等二分院正式开庭审判牛兰夫妇，最后宣布将牛兰夫妇引渡给南京国民政府。八月十四日，国民政府司法部门将被引渡来的牛兰夫妇从上海移押南京，关入城南道署街的宪兵司令部看守所监狱中。虽然牛兰夫妇多次绝食抗争，中国国内（如宋庆龄、杨杏佛、鲁迅、柳亚子等）与国际上许多名人来电来信对牛兰夫妇表示声援与支持，但是南京政府的江苏高等法院刑事一庭，仍于一九三二年八月十日开始，假江宁地方法院对牛兰夫妇正式开庭进行公开审判。庭审历时约十天。一九三二年八月十九日正午十二时，庭审结束，审判长黎冕宣读了对牛兰夫妇的判决书：“牛兰及汪得利曾犯罪一切证据，不外扰乱治安、勾结叛徒、煽惑军队、破坏纪律为目的，实触犯‘危害民国紧急治罪法’第一条第一、第三、第四各款，第二条第一、第二两款，及第六条，又犯‘中华民国刑法’第七十四条，各应并科判以死刑。兹爰照大赦条例第二条，各处以无期徒刑。”
法院判决后，牛兰夫妇被送至南京市中心老虎桥的江苏第一模范监狱监禁服刑。
牛兰夫妇在南京狱中被关押六年。直到一九三七年七月芦沟桥事变爆发，日军侵略的战火很快烧向上海与南京。八、九月间，日军飞机开始轰炸南京，江苏第一监狱也有部分房屋重弹。到十一月，日军占领上海之后向南京逼近，日军攻占南京前的混乱时刻，南京国民政府当局以“驱逐出境”为名，释放牛兰夫妇。牛兰夫妇从上海前往上海租界，次年，他们乘苏联客轮离华回到苏联。
轰动一时的“牛兰案”历时约六年，才因中日战起得以结束，历史学界由于资料缺乏，对这一民国史上重大国际事件所知甚少，叙述极略，而且有许多讹误之处，甚至有人将一九三一年发生的“牛兰案”与一九三五年发生的“怪西人案”混为一谈。其实，后者是苏俄当时的另一情报系统——苏俄红军总参谋部情报部，（简称“格别乌”）所属特工系统在华的活动。
