Kung Charles Spaniel hittades på A38:an nära Kennfords bensinstation i Devon på torsdagseftermiddagen.
Ägarna till hunden, som led av två misstänkta brutna ben, har nu spårats.
CCTV-filmer granskas av polisen "för att sprida ljus" över händelsen.
Devon och Cornwall Polisen sade: "Vi arbetar för närvarande under intrycket att hunden hade rymt från sitt hem och sprang över vägen och fick sina skador på detta sätt."
En skadad hund som först troddes ha kastats från en bil på en livlig dubbelvagnsbana hade förmodligen rymt hemifrån och sprungit över vägen, säger polisen.