下校時刻を過ぎても帰宅しない少女の捜索が始まった直後、事態は最悪の展開を辿った。新潟県警察に激震が走ったのは、線路上で列車にはねられた状態で発見された遺体の検視結果が出た瞬間である。当初懸念された事故の可能性は即座に打ち消され、首を絞められたことによる窒息死、すなわち惨烈な殺人事件であることが判明した。
直ちに捜査本部が設置され、現場周辺の防犯カメラ映像や不審車両の目撃証言が徹底的に洗われた。後に開示された裁判記録の一部や関係者の証言によれば、現場近くで度々目撃されていた黒い軽乗用車と、当時23歳だった小林遼の存在が捜査線上に急浮上するまでに、捜査員たちは不眠不休の聞き込みを重ねていた。犯行後に線路へ遺体を遺棄するという極めて異様かつ惨虐な態様は、地域住民を深い恐怖と人間不信のどん底へと突き落とした。
