本事件の解明において決定的な役割を果たしたのは、警視庁と神奈川県警察による合同捜査本部の綿密な捜査網であった。多摩川という都県境の現場に対し、両警察は周辺の防犯カメラ映像（NVT）を徹底的にリレー解析。深夜帯に不審な動きを見せる車両を特定し、そこから遺棄現場周辺へ移動した人物たちの割り出しに成功した。
捜査線上に浮かび上がったのは、原田さんと過去に深い交友関係にあった元交際相手の女性、およびその家族や知人で構成されるグループであった。一人の人間を殺害し、巨大なスーツケースに詰め込んで搬送・遺棄するという大がかりな工作は、単独犯では到底不可能である。警察は関係者の携帯電話の位置情報履歴や暗号化アプリでのやり取りを復元し、役割分担をしながら綿密に計画を進めた共犯関係の構図を完全に解明した。
