不久，一名身穿運動服的士兵告知張兄：「裡面已經沒有人了，你可以不用繼續等了。」張兄不疑有他，以為妹妹只是提早離開，所以就騎車返家，但是天色漸暗，張家人卻等不到張女回家，由於張女平時交友非常單純，不可能無故在外遊蕩，因此張家人當晚就向軍史館轄區的台北市警局中正一分局，以及住處轄區的新北市警局三重分局報案協尋。
一開始，警方以為是擄人勒贖案，因為協尋啟示發布之後，張家就接到一名自稱綁匪、要求贖金的電話，不過，經過清查後，發現只是詐騙電話，且張父的職業是司機，張母在一家小型成衣廠工作，張女的兄姐也都是學生，家境條件普通，應該不至於被歹徒盯上，成為綁票的對象。
為了尋找張女的下落，警方決定重回軍史館搜索，沒想到卻屢遭阻撓，館方先是以放假為由，拒絕開門，直到二天之後才讓警方進入，全程由館長李姓上校陪同，還要求警方不得進入館長室，並強調：「軍史館是最安全的地方！」
警方進一步要求調閱監視器畫面，館方卻含糊其詞，先是說白天沒有開啟錄影功能，又說端午假期沒啟用，最後甚至拿出改過標籤的一個月前錄影帶假冒張女失蹤當天畫面，企圖矇混，搜查過程中，軍警之間產生許多衝突。
為了突破僵局，警方報請地檢署指揮偵辦，才讓案情有所進展。警方取得搜索票後，第一時間封鎖軍史館，並派出大批人力進入採證，要求案發當天值勤的士兵換上運動服，讓張兄指認，其中一名士兵郭慶和換衣服時遮遮掩掩，引起警方注意，警方要求他掀開上衣，結果發現他的胸口有明顯抓痕，張兄也認出郭就是妹妹失蹤當天將他打發走的士兵，警方認為郭涉嫌重大，立刻將他帶回偵訊。
