第二天下午，王歡和黃洋的師兄孫希才一起到421寢室看望黃洋，發現黃洋還在公共盥洗室里嘔吐，面部水腫。大家擔心黃洋的情況不好，帶他去中山醫院超聲科進行全腹部檢查，檢查的正是林森浩，檢查結果是各臟器并沒發現異常。
在急診科，黃洋進行了腎功能、肝功能、血常規等檢查，發現他血小板低，肝功能損傷。當晚，黃洋留在急診留觀室治療，血小板一直在下降。孫希才看病情嚴重，電話通知了黃洋遠在四川的家人。
4月3日下午，黃洋被轉到ICU，但病因仍不確定。醫學院的同學們都感覺不像是普通的食物中毒，孫希才提議進行毒物分析。王歡等同學在警方的筆錄中稱，醫生提供無菌容器和委托書，和同學們分頭搜集黃洋的尿樣、血樣、水樣，由同學聯系專業的毒化檢驗中心檢驗，但并未監測出結果。
黃洋的父親黃國強在晚上8點多趕到上海，去ICU看了看黃洋，然后到黃洋所在的宿舍住下，見到了林森浩。黃國強對林森浩說，黃洋的病情很不好。
4月5日下午，付令元和盛磊、林森浩約好去看黃洋，大家隔著ICU的玻璃和黃洋用對講機做交流，只有林森浩沒有和黃洋通話。付令元在警方筆錄中說，林森浩后來說，黃洋血小板低，可能是醫生用藥不當造成的。
到了4月6日，黃洋開始鼻出血，意識模糊，痛苦地掙扎，醫護人員用束縛帶把黃洋四肢綁在床上。王歡后來對警方回憶說，黃洋昏迷，全身插滿導管，有靜脈導管、氣管插管、導尿管等。到4月16日去世前，黃洋全身浮腫、大片皮下出血淤斑，很難認出原來的模樣。
直到4月7日，醫生還和醫學院的同學們商量，搜集黃洋的日常用品監測，但仍沒有結果。
直到4月8日晚上10點多鐘，和黃洋同宿舍的葛俊琦給孫希才打了個電話，提示他注意N-二甲基亞硝胺這一物質。這時，林森浩剛好走進宿舍。葛俊琦不方便多說，用短信把物質名稱給孫希才發過去。葛俊琦后來做警方的筆錄時說起這段經歷。他此時的懷疑目標，已經直接指向林森浩。
毒物注入宿舍飲水機
葛俊琦4月1日才回到宿舍住。他在給警方的證言中說，黃洋住院后，林森浩明顯睡得晚了，在網上泡著打游戲的時間也長了。
看過黃洋的病歷后，葛俊琦發現，黃洋有肝衰竭的癥狀，感覺像是中毒。不久后，他突然想到，林森浩曾做過和肝損傷有關的實驗。
4月8日晚上10點多鐘，葛俊琦在數據庫中查詢林森浩發表過的論文，發現林森浩曾使用N-二甲基亞硝胺，制造肝臟纖維化的病態大鼠。他隨即把這個信息告訴了師兄孫希才。
轉天，孫希才聯系到檢測中心，提出檢測N-二甲基亞硝胺。工作人員希望他們提供同樣的物質做比對。王歡在證言中說，當天打聽到上海一家賣化學用品的公司有N-二甲基亞硝胺，匆忙趕去買了1克，付完錢就拿著物質去送檢。檢測結果證實，黃洋喝過的水樣中存在N-二甲基亞硝胺。王歡隨后將情況反映給學校的老師。
4月11日，復旦大學保衛處向上海市公安局文化保衛分局報案，根據葛俊琦的證言，警方很快鎖定林森浩。在庭審中，公訴方指出，面對警方4月11日的兩次詢問，林森浩并沒有供述自己投毒的行為。
根據庭審時檢方提供的證據，警方通過林森浩電腦里的上網記錄發現，4月1日黃洋發病當晚，林森浩就在以“二甲基亞硝胺”、“味道”為關鍵詞進行搜索，并查看了該毒物致死的兩個相關案例，案例中被害人都是服下2克左右毒物就死亡了。到4月7日，林森浩搜索二甲基亞硝胺的相關網頁有48個。隨著案情進展，搜索關鍵詞也變成了該物質的“檢測方法”、“法醫鑒定”等等。
警方確定林森浩存在重大嫌疑。4月12日，警方立案偵查，再次傳喚了林森浩。公訴方稱，林森浩承認了自己的投毒行為，但稱自己投放的是N-二甲基亞硝胺和福爾馬林的混合液，大約30ml。在隨后的詢問中，林森浩又承認，自己投放的是N-二甲基亞硝胺原液，總量約50ml。林森浩在法庭上也承認，自己第一次并沒有完全如實供述，主要在量上有所隱瞞。