警方調查，老翁在前一天清晨6點就出門爬山，直到中午都沒返家，家屬早已報警協尋。警方在涼亭地上發現老翁的手錶，錶面上的指針停在7點26分，除此之外，警方還在現場找到1個用來裝小狗排泄物的淺色垃圾袋，但未發現疑似刀械。
時任台北市警局刑警大隊偵五隊隊長的林弘基回憶，當天中午，警方到附近1處宮廟查訪，過程中，眼尖刑警發現廟內有捆捲式垃圾袋，與命案現場尋獲垃圾袋的款式相同；同時間，轄區派出所清查治安人口時查出有名周姓少年，2年前曾犯隨機殺人案，他住在距離命案現場200公尺處，有地緣關係。
宮廟人員聽聞，隨即表示周姓少年是其遠親，常帶狗到附近散步，還多次拿藍波刀在山區「練刀」，警方認為他有重嫌，前往其住處找人，周家人說，他前一天就南下桃園，警方調出周的手機定位，發現訊號位置在桃園一處旅館，立刻趕往現場逮人，不料，旅館房內只有周的表哥，他表示周前一天突說要來找他，隔天就留下背包說要回台北。
警方檢視周的背包，發現裡面裝著血衣，罪證確鑿，警方馬上返回台北，趁周步出餐廳時將他逮捕。周當時態度冷靜，他帶警方起出犯案用凶刀，坦承犯案。
周姓少年供稱，當天他遛狗時巧遇老翁，老翁嫌他的狗髒臭，還打他，他氣憤返家拿水果刀，回涼亭砍了老翁數十刀。警方回憶，周姓少年落網後，檢察官複訊依殺人罪嫌向法院聲請羈押獲准，周得知自己要被收押，當庭啜泣稱不想死。
檢警調查，2014年台北捷運鄭捷隨機殺人案發生後2週，年僅16歲的周，就曾模仿犯下殺人案，判處1年9個月有期徒刑，假釋出獄後才4個月，竟又再持刀殺死不認識的老翁。
台北地方法院審理該案，將周依殺人罪判處無期徒刑，經周上訴三審，最高法院駁回周的上訴，無期徒刑定讞。
