最终杨乃武、小白菜案得以平反，与慈禧太后的直接干预有极大关系。当初由大学士翁同龢向两宫面陈案情时，就引起了慈禧太后的注意，她没有直接下达谕旨，而是通过刑部叫浙江巡抚杨昌浚亲自审问，但她同时派了御史王昕到浙江私访案情。对于此案是否提京复审，开始慈禧太后是犹豫的，慈禧太后对地方大吏承办的要案，也不愿轻易更张。如果轻易更张，势必引起地方不服气，甚至导致朝廷不稳，为了两个平民百姓的小命导致地方与中央不合，完全划不来。但后来杨乃武冤狱的呼声越来越高，朝廷内外到处哄传，又加上官员不断上疏奏请提京勘查，慈禧太后终于下了决心，于是“叫刑部彻底根究”。
刑部接下此案后，立刻命杨昌濬将本案的有关证人以及主犯杨乃武和小白菜押解进京。杨昌濬在接到上谕说刑部要来提解人犯时，大为不满，但不敢公然违旨。
刑部在审查案卷过程中发现了一些疑点：一是关于杨乃武购买砒霜的时间问题，先说是初三日，后又说是初二日；二是“钱宝生”是卖砒霜的要证，却仅在县审时传讯过一次，其后各次审讯均未提审，更未让杨乃武与他当面对质。
于是当本案的涉案人员到北京后没有几天，刑部就举行了大审，又叫三法司会审。当时凡京控大案，由刑部主审，都察院、大理寺会审。当时刑部尚书亲自坐镇主审，然后九卿，就是相关的最高级别的刑讯人员坐在旁边，来彻审杨乃武、小白菜一案。
杨乃武把案子的发生经过，从头到尾详细叙述并加以辩白，说既未与小白菜通奸，更无合谋毒死小白菜亲夫葛品连之事，在府在省，都是畏刑诬服，死实不甘。小白菜开始只是口呼冤枉，不敢翻供。主审一再叫她照实直说，她只说以为丈夫是病死，不知丈夫是服毒，毒药从哪里来的也不知道，前供杨乃武授给流火药，也没有这件事，与杨乃武也无奸情。
由于当时本案的主要证人钱坦已死，刑部也无法依靠证人的证词和人犯的口供定案。虽然在审理时发现杨乃武和小白菜都受过酷刑，与杨昌浚具题、胡瑞澜上奏中所说的并无刑讯明显不相符，并且杨乃武和小白菜也都推翻了原先因奸谋毒的供述，但刑部认为仅凭这些也难以定案。在审问进京人证的过程中，刑部官员发现余杭县令刘锡彤所勘验的葛品连中毒身死的尸体勘验结论值得怀疑，于是经请旨得到同意，准备将葛品连的尸棺运至北京，重新勘验葛品连的死因。
葛品连的尸棺装在船上，每到一个州县，都要加贴一张封条，有两个差人看守。因为当时天津闹过教案不久，路上交通不便，历经一个多月才到北京。
光绪二年（1876年）十二月九日，刑部尚书桑春荣带领刑部堂官6人，司官8人，仵作、差役40余人，以及全部人犯见证，到海会寺开棺验尸。开棺以前，先叫刘锡彤认明原棺无误，即由刑部仵作开棺。
由于此案影响很大，所以前来观看开棺验尸的人非常多。司官先验，堂官再验，验得葛品连周身大小骨殖均呈黄白色，确属无毒因病而死。在场的刘锡彤以及原验仵作沈祥也都不得不认可了这一鉴定结论。刑部官员还讯问刘锡彤、沈祥原验情况，两人承认在原验时，试毒银针并未按要求用皂角水反复擦洗，不符合朝廷规定的检验要求；沈祥向刘锡彤只报服毒而死，却未报何毒致死等等。据此可见，杨乃武和小白菜确系冤枉。他们原来所作“因奸谋毒”的有罪供述显然均为虚假。
那么这样一个前后延续了三年多，将近四年的案子，终于最后定案，杨乃武、小白菜沉冤得雪。
这个案子平反昭雪以后，那么在当时清朝的政治环境中引起了轩然大波。
海会寺验尸后，案情已经大白，刑部将复审勘验情况，奏知两宫。刑部审后，在勘题拟奏时，朝廷的一些大小官员，却因此案掀起了一次激烈的争吵。
当时统治集团内部分成了两派：一派以大学士翁同龢、翰林院编修张家骧、夏同善为首，多是言官文臣，又因为翁同龢是江苏人，张家骧、夏同善是浙江人，附和的又以江浙人为最多，所以称为江浙派，又称朝议派；另一派以四川总督丁宝桢为首，附和的多是湖南、湖北人，称两湖派，因为这一派都是封疆大吏，掌握实权，故又称为实力派。
在是否惩办各级办案官吏的问题上，江浙派与两湖派发生了激烈的争吵，江浙派力主惩办这些草菅人命的贪官污吏，而两湖派则认为不能为了区区两个平头百姓处理这么多官吏。由于这两派的争吵，刑部平反的奏疏，一直拖了两个月，迟迟未上。两派之间的争斗此消彼长，朝廷两派都不敢太过得罪。拖到光绪三年（1877年）二月十日，刑部的疏奏才上去。但因牵涉到对承审官员的判罚，这篇疏奏的陈述语气和字里行间时见轻描淡写之语，意在开脱承审官员的罪责。边宝泉、翁同濬、夏同善这一派，知道刑部在为杨昌濬、胡瑞澜等开脱，就由御史王昕出名上了一个奏折，弹劾杨昌濬、胡瑞澜，说这些地方官员，平日草菅人命，而某些封疆大吏，更是目无朝廷，力请重加惩办。
光绪三年（1877年）二月十六日，慈禧以光绪帝的名义发下来平反的谕旨：
本案主犯杨乃武与葛毕氏（即小白菜）俱无罪开释，但葛毕氏因与杨乃武同桌共食、诵经读诗，不守妇道，致招物议，杖八十；杨乃武与葛毕氏虽无通奸，但同食教经，不知避嫌，杖一百，被革举人身份不予恢复；余杭县知县刘锡彤勘验不实，非刑逼供，出入人罪，远发黑龙江判处流刑；杭州知府陈鲁、浙江巡抚杨昌睿、浙江提督学政胡瑞澜均革职查办；浙江按察使蒯贺荪已死免议；湖州府知府锡光，绍兴府知府龚同绶、富阳县知县许加德、黄岩知县陈宝善等均降职罚俸；二月十六日平反的谕旨才下来。慈禧太后也连续发布旨意，惩罚余杭知县刘锡同，；生员陈竹山已在监狱病死，不论；仵作沈祥杖八十，徒二年；门丁沈彩泉杖一百，流放两千里；葛喻氏不听信教唆，无事生非，杖一百，徒四年；王心培等证言不实，杖八十。
本案至此结束，但平反昭雪的最后实际上隐藏着深刻的、尖锐的官场权利斗争。杨乃武与小白菜冤案发生时，大清王朝的社会腐败已相当严重，慈禧太后为了严肃法纪，重振朝纲，便借此案惩治贪官污吏。事实上，杨乃武与小白菜的冤案能够得以平反，最大原因就在于此。
此外，杨乃武与小白菜这样的案件只是民间的一个小案，在那个时代其实是不足为怪的。但是在当时围绕着这个案件审理，浙江的一干官员，从县到府到省，全都是曾国藩所统率的湘系军阀的手下，那么也就是说根据当时的历史背景，曾国藩率领自己的湘军打败了太平天国，镇压了太平天国，那么在当时江南一代，各级的官员基本上都是湘系的军阀，他们凭着军功担任这样的职务，很少受过严格的审判经验的教育，也没有多少知识，因此容易造成很多冤案。
而且冤案之间都同处湘系，官员之间相互扶持，相互地维护，那么从而使这个案子迟迟难以翻案，那么面对这种情况，实际上对于清朝的最高统治者而言，早就欲除之而后快，早就想找到一个机会来弹压湘系军阀的势力，杨乃武与小白菜案件的发生恰恰给慈禧太后提供了这样一个压制湘系军阀气焰的契机，那么之所以最后有二十多位官员的顶戴花翎全部被摘掉，永不续用，实际上有压制湘系军阀这么一个功能。
杨乃武平反出狱后，去上海拜访了《申报》的编辑，因为在他蒙冤期间，上海《申报》曾发表过不少主持公道的报道，所以杨乃武前去致谢。《申报》的老板美查，头脑灵活，知道杨乃武文采出众，再加上刚刚结束的冤案轰动全国，认为他有很大的利用价值，于是就挽留杨乃武在《申报》写新闻评论，杨乃武感恩图报也就答应了。但杨乃武只工作了一个多月，就因性格刚直，嫉恶如仇，得罪了上司，便辞别《申报》回到了余杭。
余杭盛产丝绵，行销省外。杨家世代养蚕，对育种积有一定的经验。于是杨乃武就继承了祖业，种桑养蚕，开发了“凤参牡丹杨乃武记”的优良蚕种，驰名杭嘉湖一带。
由于杨乃武的名声太盛，还是有很多人找他写状子，经历了牢狱之灾，他怕再招惹事端，便想出了把状子写在水牌上，别人抄好后擦除的方法；或用沙泥铺地，执棍棒在沙泥上写状词，再由别人缮抄入纸，不留笔迹，以免再遭横祸。
民国3年（1914年）杨乃武患疮疽不治而死，享年74岁。
小白菜出狱后，回到余杭，在南门外石门塘准提庵出家为尼，法名慧定。小白菜一直因对杨乃武的诬陷深感内疚。多年后，小白菜用黄表纸留下了一段由她口述、妙真执笔的遗言，声明“杨二爷蒙受天大不白之冤”，“均我所害”，“二爷之恩，今生今世无法报答，只有来生再报。我与二爷之间绝无半点私情，纯属清白。后人如有怀疑，可凭此字条作证”。
民国19年（1930年），小白菜圆寂，享年76岁。
杨乃武与小白菜的冤案，牵出的社会背景纷繁复杂，引发出的案件情节跌宕起伏，并且才子、佳人、冤狱，以及官僚集团的相互冲突等为世人所格外关注的要素无一不备，且有新兴传媒《申报》的关注与追踪报道，使此案在历史上留下了重要的影响。
