警方調查，嫌犯張文犯案前，15時27分至47分先在北市林森北路的全家便利商店購買豆漿等食物，在超商座位區嗑完食物，大約停留10分鐘，吃飽喝足後隨即大開殺戒，先在中山區林森北路119巷一帶連續犯下3起縱火案。
第一起縱火因未造成財損、無人報案，實際時間仍待釐清；第二起發生於15時48分、第三起則在15時51分。中山分局於15時53分接獲110通報後立即派員趕抵現場，並由里長與分駐所回報附近疑似有人刻意縱火，警方隨即擴大調閱監視器追查嫌犯行蹤。
警方指出，16時40分已根據相關車牌與影像資料，初步鎖定張文身分。未料，張文在16時53分再度返回租屋處，於戶外陽台洗衣機縱火，警方16時58分接獲報案、16時59分到場，以滅火器迅速撲滅火勢，並同步通報消防單位破門清查。
同一時間，張文已於16時59分攜帶裝備徒步進入北捷地下街，刻意穿著黑色雨衣規避拍攝，並拖著裝有衣物與鞋子的行李箱。17時23分，張文在地下街脫下雨衣，露出戰術背心並戴上防毒面具遮蔽容貌，隨即在短短4分鐘內連續丟擲17顆煙霧彈及3顆汽油彈，現場瞬間濃煙密布、秩序大亂，行李箱內另留有4顆未使用的煙霧彈。
警方說明，張文於17時26分丟棄戰術背心與防毒面具後，背起後背包逃離現場，甚至來不及更換事先準備的鞋子；17時27分在捷運人員指揮疏散民眾時，他以黑布遮臉、換穿米色外套，混入人群，沿中山地下街方向逃逸。
張文於17時32分返回大同區旅館補充裝備後，再徒步前往中山誠品南西店。18時38分，他在誠品外再度施放煙霧彈，並持刀隨機攻擊蕭姓民眾致死；18時40分，現場警力立即進行交通管制並通報線上警力圍捕。18時41分至18時50分間，張文闖入誠品南西店4樓，再持刀攻擊王姓民眾致死，隨後於18時50分自誠品南側5樓墜樓身亡。
警方統計，張文自北捷地下街至誠品南西店的隨機攻擊行動，共造成4人死亡（包含嫌犯本人）、11人受傷。台北市警局表示，張文早自113年4月起即開始購買煙霧彈、汽油桶、防護盾牌等犯罪工具，準備時間長達一年半，屬高度預謀性犯罪。
警方強調，案發後立即啟動應變處置小組，整合中山分局、中正第一分局、捷運警察隊及刑事警察大隊情資，透過監視器分析動線、身形與變裝特徵，於17時38分至18時51分間逐步確認其涉案身分並展開圍捕。對於社會各界批評與檢討，警方表示將虛心接受，持續檢視應變流程，全力釐清是否仍有共犯或幕後支援網絡，避免類似悲劇再次發生。
