掌握死亡時間與地點後，警方重新整理線索，鎖定第一通勒贖電話，並查出手機門號登記人呂姓女子的丈夫張增標債務纏身，可能就是綁匪。22日上午，警方前往張家訪查，呂女告訴警方：「丈夫到外地找工作，好幾天沒回家。」甚至還在媒體鏡頭前，哭著呼籲丈夫投案，但資深刑警發現，呂女神色不對，似乎有所隱瞞。
22日傍晚17點多，警方回到張家突擊搜索，發現儲藏室有一台電風扇，對著一個拉鍊式的簡易衣櫥吹，衣櫥表面雖然看起來無異狀，但警方仔細檢視，竟在衣櫥內部發現一個「狗洞」，張增標就蜷縮在裡面，警方則當場將他逮捕，押回分局偵訊。到案後，張坦承綁架勒贖，但辯稱「沒打算殺人」，警方最後根據他的供詞與相關證物，還原案情。
警方調查，在鑄造廠當工人十多年的張增標工作穩定，但聽信朋友慫恿，到處標會買股票，希望大賺一筆，沒想到最後血本無歸，還欠債7、800萬元，案發前1個月，張辭掉工作，四處躲債。7月20日下午，他開車回到住家附近，在車內思索債務問題，正準備上樓返家時，意外遇見剛剛放學的陳姓男童，張見四下無人，捂住男童的口鼻，將他拖上車，並用膠帶封住他的嘴與眼，綑綁手腳。
當晚，張增標開車到新北樹林河濱公園，並且從男童的書包裡，翻出他家的電話號碼，撥出第一通勒贖電話。之後，張把書包丟進排水溝，開車前往新竹關西休息站，並持續用公共電話與男童的家長聯繫。21日凌晨，張看到警方巡邏車出現，擔心被盤查，所以就把男童用不透氣的帆布袋包起來，塞進行李廂，只剩一顆頭在外面，讓男童呼吸。
