一年後某天，警方接獲線報，有人目睹井口真理子失蹤當天，與劉學強在劉家附近一家麵攤吃麵，但麵攤老闆否認，半個月後，老闆突然改口，證稱劉當天曾帶著井口真理子來吃麵，當時二人因語言不通，靠寫字條溝通，讓他留下深刻印象。
取得麵攤老闆的證詞後，警方兵分二路，一組人負責逮捕劉學強，另一組人則趕赴劉家後院開挖，雖然沒有發現屍體，但警方質問劉：「你為什麼不敢在家裡睡覺？是不是夢到死者索命？」很快突破劉的心防，劉當場認罪，並坦承每到半夜，就會看到井口真理子的飛頭，對方還會不停問他：「為什麼要殺我？」非常恐怖。
劉學強告訴警方，1990年4月7日他沒上班，騎著機車四處閒晃，在路上巧遇井口真理子，他開口搭訕，才知她是日本觀光客，於是帶她到各處景點吃喝玩樂，原本井口真理子打算夜宿青年旅館，但因旅館環境不佳，劉於是提議到他家住一晚，因為先前在台南，曾借住李男的家，井口真理子認為台灣人善良好客，不疑有他，於是跟著劉回家，沒想到遇上死劫。
回家後，劉學強露出惡狼的真面目，向井口真理子求歡遭拒，劉無法接受，趁對方熟睡時，用十字弓朝她的頭部連射四箭，井口真理子喪命之後，劉為了避免東窗事發，將她分屍，將頭顱砍下、放入塑膠袋，再將屍體用床單包裹，打算棄屍在不同的地點。
劉學強趁月黑風高，騎機車運屍到台南，將井口真理子的頭顱、屍體分別丟棄在基督長老教會前的垃圾堆及某處空地，並沿路丟棄犯案用的十字弓、井口真理子的背包，最後返家清理血水，並在後院焚燒染血的寢具，隔天再前往台南的空地焚屍。
雖然劉學強認罪，也供出犯案過程，但缺乏證據，為了將他定罪，警方帶著劉到台南尋找屍體及凶器，劉卻不願配合，花了好幾天都沒有進展，某天警方為了搜索，延誤了吃飯時間，劉餓到受不了，鬆口透露將屍體埋在某處空地的大樹下，警方趕到現場沒見到樹，只看到樹根，打聽後才知道，有人晚上將車停在樹下，結果看到一名年輕女子趴在車窗盯著他，嚇得他找人砍掉大樹。
後來警方找來殯葬人員協助，果真在樹根下挖出一百多塊人骨，經法醫楊日松鑑定，骨骸的血型跟井口真理子相符，並且在左肩骨發現刀傷，與劉學強供稱拿柴刀分屍的說法一致，研判應該是井口真理子的遺骸。
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