با توجه به جراحات‌وارده بر بدن دختربچه، پزشکان موضوع را به مأموران مستقر در بیمارستان اطلاع دادند و سپس کارآگاهان اداره جنایی پلیس آگاهی برای بررسی دقیق به محل اعزام شدند. با توجه به توضیحات پزشکان و آثار به‌جا‌مانده بر بدن دختربچه، احتمال قتل این کودک قوت گرفت و مأموران بلافاصله تحقیقات خود را آغاز کردند.
مادر بچه در اظهارات خود به کارآگاهان گفت: فرزندم هنگام بازی داخل جوی آب افتاد و من به همراه همسرم او را بلافاصله به بیمارستان آوردیم؛ اما فرزندم فوت کرد. در ادامه تحقیقات، پزشکی قانونی علت فوت کودک ۱۸ماهه را اصابت ضربه‌های مختلف به اعضای بدن او اعلام کرد و به‌این‌ترتیب، بلافاصله بازپرس ویژه قتل، دستور دستگیری پدر و مادر را صادر کرد.
پدر و مادر کودک ۱۸ماهه از سوی مأموران دستگیر و برای توضیحات بیشتر به پلیس آگاهی منتقل شدند. مادر کودک در بازجویی‌ها عنوان کرد: از زمان جدایی من و همسر اولم، ۹ ماه می‌گذرد و از او دو فرزند دارم که فرزند بزرگم با پدرش زندگی می‌کند و فرزند کوچک (مقتول) نیز با من زندگی می‌کرد. مدتی پیش با همسر فعلی‌ام ازدواج کردم که او هم از ازدواج اول خود دو فرزند دارد و فرزند مرا نیز مانند فرزندان خودش دوست داشت.
مادر کودک ادامه داد: فرزندم هنگام بازی داخل جوی آب سقوط کرد و بلافاصله من به همراه شوهرم او را برای مداوا به بیمارستان بردیم. درحالی‌که این زن همچنان اصرار داشت مرگ فرزندش حادثه بوده، پدرناتنی مقتول نیز همین ادعا را تکرار کرد؛ اما با توجه به تحقیقات میدانی مأموران و گزارش پزشکی قانونی، سرانجام مادر مقتول لب به اعتراف گشود و اظهار کرد: من در آشپزخانه مشغول کار بودم؛ یک‌دفعه صدای گریه فرزندم بلند شد و آمدم داخل اتاقی که او گریه می‌کرد و برای ساکت شدنش، به بیرون از منزل رفتم تا از مغازه برای او تنقلات بگیرم.
وقتی برگشتم، شوهرم گفت حال بچه خوب نیست و فکر کنم تشنج گرفته است. به همراه شوهرم او را به بیمارستان منتقل کردیم. ناپدری مقتول که ۲۸ سال دارد، در ادامه بازجویی‌ها گفت: بچه داخل اتاق گریه می‌کرد و مادرش در آشپزخانه مشغول کار بود. گریه او امانم را بریده بود؛ لگدی به پشت او زدم و با سر روی موکت افتاد.
دیگر نمی‌دانم چرا کتک‌زدن را ادامه دادم؛ در‌همین‌حال مادرش از صدای گریه دختربچه‌اش آمد. به او گفتم برو از مغازه برایش چیزی بگیر تا ساکت شود. او رفت. متهم ۲۸ساله ادامه داد: نمی‌دانم چه شد؛ فقط یادم می‌آید یک مشت به شکم بچه کوبیدم که بچه از حال رفت و من هم بلافاصله به مادرش اطلاع دادم و تصمیم گرفتیم تا در بیمارستان ادعا کنیم او هنگام بازی داخل جوی آب افتاده است.
متهم جوان عنوان کرد: هرگز فکر نمی‌کردم بچه کشته شود و نمی‌دانم چه اتفاقی افتاد و چطور آن کار را انجام دادم. حالا دو شب است از عذاب‌‌وجدان خوابم نمی‌برد و تصویر بچه جلوی چشمانم می‌آید. نمی‌دانم چرا طفل معصوم را کشتم.
کارآگاهان اداره جنایی پلیس آگاهی در ادامه صحنه جرم را با حضور بازپرس ویژه قتل و متهمان، بازسازی کردند و متهمان با تشکیل پرونده، برای سیر مراحل قانونی به مراجع قضائی ارجاع داده شدند.