最令警方想不透的是住客沙男，他是憲兵退役，精通防身術，身手十分矯健，竟離奇陳屍在旅社廚房。專案小組從5名死者的陳屍態樣、解剖報告等跡證研判，歹徒至少有3人，可能是強盜集團。
此外，清查過程中還找到一項可疑線索：沙男是與羅姓、李姓2名友人一起投宿，羅後來有事先離開，李則在3樓房內呼呼大睡，2人根本不曉得發生命案。專案小組一度懷疑沙、羅、李3人酒後起衝突，才會釀成命案，但案發後李沒有離開旅社、羅也聯繫得上，仔細推敲後排除2人涉案的可能。
另外也有刑警認為，歹徒犯案的手法很老練，可能是沙的仇家上門尋仇，旅社老闆夫婦、服務生、應召女郎只是無辜受牽連被滅口。
就在案情撲朔迷離之際，警方意外發現旅社登記簿藏有重要線索。在那個年代，投宿旅社不僅要登記個資，還要送轄區派出所備查，當年位於基隆港附近的五福旅社，很多生意來自色情應召產業，為了維護買春客隱私，提供性交易場所的旅社多半依法登記，但會等買春客退房後，才將資料送派出所，所以登記簿仍留在現場。
專案小組發現，五福旅社住宿登記簿有2頁被撕掉，認定是歹徒犯案後的滅證行為。警方訪查入住房客，得知某房間的電視凌晨4點故障，住客曾尋求旅社協助，卻無人回應，代表5名死者當時可能已經遇害。
不久，警方又接獲民眾報案，說在旅社附近的社區發現染血的衣物、凶刀，還有1個橘紅色的枕頭套，上面繡著「大華大飯店」字樣。為了緝凶，警方立刻前往大華大飯店調查，飯店員工告訴警方，他們打掃805號房時，發現少了1個枕頭套，而且住客還沒退房；警方如獲至寶，馬上派員入住802、807號房埋伏，順利逮捕返回飯店的王騰輝、施東寶，並從其中1人身上搜出傅姓應召女郎的駕照。
偵訊時，王、施爽快承認犯案，並供出另1名歹徒許慶芳，還透露許可能躲在施的姊夫家；警方上門抓人，果真逮到許，五福旅社5死命案宣告偵破。3人供稱，23日凌晨2點多，他們帶著2把開山刀、1把番刀入住五福旅社205號房；凌晨3點，旅社老闆應王的要求，找來傅姓應召女到205號房性交易，完事後，許持刀闖入，將傅女綑綁、企圖劫財，因傅女呼救，許便殺了她。
