因莊是澎湖人,高雄警方於是聯繫澎湖警局,請求協助訪查莊的下落。澎湖警方調查,莊與家人多年未聯絡,也沒有什麼要好的朋友,甚至沒用手機,難以追查行蹤,不過,他曾在澎湖認識1名從高雄來的林姓酒店女子,2人進而交往,由於莊因案遭通緝,警方研判他可能逃到高雄投靠女友。
為了緝凶,專案小組開始監控林女的通聯及行蹤,但未發現可疑之處,過了好一陣子,終於在一通電話中,聽到她稱對話的男子為「澎湖仔」。警方士氣大振,認為該名男子應該就是莊天祝,於是派員埋伏在林女的租屋處附近,經過10天的守候,終於在2004年1月20日,發現林女騎機車載著1名男子外出。
參與緝捕行動的黃昭偉回憶,他看了莊天祝的照片很多次,對他印象深刻,當下覺得林女載的人就是莊,但因事出突然,只有2名人力跟蹤,為了避免圍捕失敗、打草驚蛇,只能悄悄尾隨,並且暗中申請警力支援,最後卻不慎跟丟。
不過,警方並未放棄,持續監聽林女的電話。當天傍晚,林接到同一名男子的電話,要求去接他,警方一路跟監林,最後在一處山區涼亭發現正與人打麻將的莊天祝,並以夾擊的方式,順利將他逮捕。
莊被逮的第一時間反應激動,大聲呼喊:「我什麼都不知道!」警方聽到他這麼說,只簡單回了一句:「你做了什麼,自己清楚,好好配合,我們不會為難你。」被帶回警局後,莊的情緒逐漸穩定,最後坦承犯下3起命案。