當時偵辦的水上分局偵查隊長林乙皓回憶說，警方到陳佳富與陳婉婷同住的三重住處採證時，在文武刀上採集到陳婉婷的DNA，而在她房內衣櫥下方也採到血液，但陳佳富在警訊時不願回答任何問題，不是裝睡，就是傻笑。
另外，警方將收到的匿名信與陳佳富的筆跡進行比對，鑑定結果證實為陳佳富所寫，且陳在接受測謊時，宣稱未殺害妹妹的說法呈現說謊反應，種種證據都指向陳佳富涉案，但他矢口否認。
為了釐清案情，警方調閱三重、嘉義二地的監視器畫面，發現陳佳富在頭顱被發現的前2天，凌晨4點從三重家裡提著3大袋不明物外出；隔天上午近11點，水上鄉案發公廁附近的監視器，也拍到陳變裝後提著疑似裝有頭顱的塑膠袋，而陳的通聯記錄也顯示曾在台中接聽電話，且陳曾在嘉義服兵役，具有地緣關係，因此推斷陳南下棄置頭顱，由檢方向法院聲押獲准。
警方還查出，陳佳富為避免頭顱腐敗發臭，還利用當廚師的經驗，在割下妹妹頭顱後，先以深色上衣包裹，再於外層覆蓋1、2公分厚的鹽巴，藉此延緩頭顱腐敗及發臭的速度。
此外，陳佳富更將妹妹死前進行性交易時，沾有多名男子精液的內褲包在外層，以此故布疑陣，想誘導警方朝姦殺的方向偵辦。而陳佳富留下頭顱並讓案情曝光，就是為了領取保險理賠，否則要等失蹤達7年才能宣告死亡獲得理賠。
