警方調查，蔡男與林女在汽車旅館租房投宿已約一個月。4日晚間，房務人員進房清理時，在房內沙發上發現林女遺體。當時遺體姿勢呈現盤腿坐姿，頸部以下被多層黑色塑膠袋包裹，袋內塞滿冰塊，僅露出頭部，景象異常。
專案小組5日凌晨在屏東河濱公園逮捕蔡男，警方在蔡男車內查獲海洛因、安非他命，以及俗稱「喪屍煙彈」的依托咪酯（Etomidate）與吸食器等證物。蔡男到案後供稱，林女可能是因為吸食毒品過量導致死亡，但對於為何要將遺體包裹並填充冰塊，以及林女死亡的確切經過，其說詞避重就輕，未能交代清楚。
屏東地檢署指出，蔡男涉嫌違反《毒品危害防制條例》、《藥事法》、《家庭暴力防治法》及《刑法》遺棄屍體罪。由於蔡男嫌疑重大，且案情仍有諸多疑點待釐清，檢方於5日深夜向法院聲請羈押，屏東地方法院6日下午裁准。
檢警5日初步相驗發現，林女身上雖有舊傷，但初步觀察未見明顯的可疑新傷。為了確定林女的確切死亡時間、死亡原因及方式，屏東地檢署已安排法醫研究所7日解剖林女遺體釐清。
