אחרי רצח זקוטונובה לא ביצע צ'יקטילו מעשי רצח נוספים במשך 3 שנים. ב-3 בספטמבר 1981 ביצע את הרצח השני. באותו יום ניסה לקיים יחסי מין ביער עם לריסה טקצ'נקו, זונה בת 17, אך לא הצליח להגיע לזקפה. טקצ'נקו לעגה לו ואז דקר אותה צ'יקטילו מספר פעמים בסכין, סתם את פיה בבוץ, חנק אותה וחתך את פטמותיה. גופתה התגלתה למחרת.
שני מעשי הרצח הראשונים היו ספונטניים ולא מתוכננים מראש, אך לאחר רצח טקצ'נקו ידע צ'יקטילו שיחזור לרצוח. כשנה לאחר מכן, ב-12 ביוני 1982 רצח צ'יקטילו את ליובוב ביריוק בת ה-12. הוא חטף אותה ליער ודקר אותה כ-40 פעמים. באותה שנה רצח צ'יקטילו עוד 3 אנשים, ובהם הקורבן הזכר הראשון - אולג פודז'יבאייב בן ה-9.
אופן הפעולה של צ'יקטילו היה דומה בכל מעשי הרצח. הוא היה פוגש את קורבנותיו בתחנות רכבת ואוטובוס והיה משכנע אותם, בתירוצים שונים ומגוונים, לבוא עמו דרך רצועת יער. הוא היה מוביל את הקורבן, שהלך מאחוריו; בשלב מסוים, כאשר היו נכנסים לעומק היער היה צ'יקטילו עוצר, מסתובב ותוקף את קורבנו. קורבנותיו היו בדרך כלל ילדים, ילדות ונשים צעירות. לא מעטים היו מחוסרי בית (או כאלה שנמלטו מהבית), נשים שיכורות או עם פיגור שכלי. על גופותיהם התגלו עשרות סימני דקירה, ובמקרים רבים נעקרו מן הגופות איברים, בעיקר אף, אוזניים, לשון, פטמות ואיברי מין; צ'יקטילו היה חותך איברים אלו בסכין או בשיניו, ואוכל אותם. הוא היה מנקר את עיניהם של רבים מקורבנותיו, כי לא היה מסוגל לשאת את מבטם. רק לעיתים נדירות היה מסוגל לקיים יחסי מין עם הקורבן, ובדרך כלל היה מגיע לאורגזמה לאחר ביצוע הרצח.
המעצר השני.
ב-1984 החל צ'יקטילו לעבוד במחלקת האספקה של בית חרושת ברוסטוב. במסגרת עבודתו נסע רבות ברחבי ברית המועצות, וכך יכול היה לבצע את פשעיו במקומות שונים במדינה. ב-8 באוגוסט נסע לטשקנט, בה רצח אישה וילדה בת 12. ב-14 בספטמבר של אותה שנה נעצר צ'יקטילו בשוק מרכזי ברוסטוב בשל התנהגות חשודה: הוא הטריד בחורות בתחבורה הציבורית וקיים מין אוראלי עם זונה בתחנת רכבת. לאחר המעצר התגלו בתיקו סכין, צנצנת וזלין וחבל; נלקחו ממנו דגימות דם, אך סוג הדם שלו וה-DNA מהזרע שהתגלה על אחת הגופות היו שונים (כנראה בשל תוצאה שגויה של בדיקות הזרע). תוצאה זו שימשה לו כאליבי. צ'יקטילו שוחרר, אך בשל התנהגות מגונה נשללה ממנו החברות במפלגה הקומוניסטית והוא נידון לשנה של עבודות שירות, אך שוחרר כבר ב-12 בדצמבר 1984. בינואר 1985 עבר עם משפחתו לעיר נובוצ'רקסק, שם התקבל לתפקיד מנהל במפעל אלקטרוניקה, בו עבד עד למעצרו הסופי. לאחר המעצר ב-1984 צ'יקטילו רצח 21 בני אדם.
מבצע "חורשה".
בדצמבר 1985 החלו כוחות הביטחון הסובייטים, בפיקוח המפלגה, במבצע בשם "חורשה" (Лесополоса) שמטרתו הייתה לתפוס את הרוצח הסדרתי. היה זה המבצע הרחב ביותר בתולדות כוחות הביטחון האזרחיים של ברית המועצות ורוסיה. במהלך המבצע נבדקו יותר מ-200 אלף איש, פוענחו 1,062 עברות אחרות, נאסף מידע על 48,000 אנשים בעלי סטיות מיניות (רובם הומוסקסואלים, שכן הומוסקסואליות הייתה אסורה בברית המועצות ואסורה ברוסיה), 5,845 אנשים הושמו במעקב, ונבדקו 163,000 נהגי תחבורה ציבורית. כמו כן גויסו מסוקים צבאיים על מנת לפקח על מסילות רכבת ועל רצועות יער הסמוכות להן. צ'יקטילו הצטרף למבצע כמתנדב, ושמר בתחנות רכבת. הוא נקט צעדי זהירות, ובשנת 1986 לא ביצע אף מעשה רצח.
גיבוש פרופיל הרוצח.
ויקטור בורקוב, שפיקד על יחידה מבצעית מיוחדת שעסקה בחיפושים אחרי הרוצח הסדרתי, פנה לד"ר אלכסנדר בוכנובסקי, פסיכיאטר פלילי, מומחה ברוצחים סדרתיים, וביקש ממנו להגדיר פרופיל של המבוקש. בוכנובסקי דחה מיד את הסברה שהרוצח הוא חולה נפש, מפגר שכלית או נרקומן. הוא חיווה את דעתו שהרוצח הוא אזרח סובייטי מן השורה, בעל משפחה ופרנסה יציבה. כמו כן דחה את הטענה שהרוצח הוא הומוסקסואל ושהילדים ונערים שהוא רוצח מסמלים עבורו אובייקט לנקמה על התעללויות והשפלות שסבל בילדותו ובהתבגרותו. בוכנובסקי תיאר את הרוצח כנקרוסאדיסט, כלומר כזה שמגיע לסיפוק מיני בכך שהוא ממית את קרבנו ומתעלל בגופתו. הוא סבר שהרוצח הוא אימפוטנט ושאת האקט המיני הוא "מבצע" באמצעות סכין; הוא מנקר את עיניהם של קרבנותיו מכיוון שאינו יכול לשאת את מבטם. בוכנובסקי טען עוד, שהרוצח שומר את חלקי הגוף החסרים או אוכל אותם; ייתכן שהוא כורת את איברי המין של קורבנותיו הזכריים בשל הכעס על אין האונות (אימפוטנציה) שלו. בוכנוסבקי העריך שגילו של הרוצח הוא בין 45 ל-50, גיל שבו מתפתחות סטיות מיניות. עוד הוערך, שיש ברשות הרוצח רכב פרטי או שעבודתו קשורה בנסיעות ברחבי המדינה; ההערכה קבעה שהרוצח מסוגל לשלוט בעצמו ולא לרצוח כשיש סכנה שייתפס, אך הוא יחזור לרצוח עד שייתפס או עד שימות.
המשך מעשי הרצח והמצוד.
לאחר כשנה וחצי של הפוגה, חזר צ'יקטילו במאי 1987 לפעול. הוא רצח את אולג מקרנקו בן ה-13, שגופתו התגלתה רק ב-1990, לאחר מעצרו של צ'יקטילו. גל הרציחות התחדש, וגופות של ילדים נמצאו אפילו בפארקים המרכזיים של העיר רוסטוב, וכן בערים אחרות של ברית המועצות: זפוריז'יה, לנינגרד ומוסקבה.
את הפיקוד על החקירה לקח על עצמו איסא קוסטוייב, שכיהן בתפקיד כסגן מנהל מחלקת החקירות של פרקליטות הרפובליקה הסובייטית הרוסית. בספטמבר 1989 ביקר קוסטוייב רוצח סדרתי בשם אנטולי סליבקו שהיה כלוא בשל רצח של לפחות 7 ילדים ונערים; הוא ביקש ממנו להגדיר פרופיל של הרוצח הסדרתי. סליבקו חזר על הפרופיל השגוי שהיה קיים בקרב החוקרים, וטען שאת מעשי הרצח ברצועות היער מבצעים שני אנשים: אחד מהם מתמקד בבנים והשני מתמקד בבנות ובנשים. מספר שעות לאחר הריאיון עם קוסטוייב, הוצא סליבקו להורג בירייה.
המעצר השלישי.
בשנת 1990 רצח צ'יקטילו 8 אנשים נוספים. את מעשה הרצח האחרון ביצע ב-6 בנובמבר, כאשר רצח את סבטלנה קורוסטיק, זונה בת 22. לאחר שרצח אותה יצא מהיער לכיוון תחנת הרכבת, שם עצר אותו שוטר בשם איגור ריבקוב וביקש ממנו להזדהות. צ'יקטילו הציג בפניו את תעודת הזהות שלו וריבקוב רשם את שם המשפחה. לאחר מספר ימים נמצאה גופתה של קורוסטיק. הניתוח שלאחר המוות הצביע על תאריך הרצח, ולאחר בדיקת דוחות של שוטרים מאותו זמן, שם קוסטוייב לב לשמו של צ'יקטילו (שם משפחה לא נפוץ), שכבר נעצר ב-1984 בחשד למעורבות במעשי הרצח, אך שוחרר. ב-17 בנובמבר הושם צ'יקטילו במעקב. התנהגותו הייתה חשודה - הוא הרבה להתחיל בשיחה עם בנים צעירים ובחורות, ונהג להסתובב בסביבת זירות מעשי הרצח. ב-20 בנובמבר פנה צ'יקטילו למרפאה על מנת לבצע צילום רנטגן של אצבע שננשכה על ידי אחת הקרבנות; באצבע התגלה שבר. לאחר מכן חזר לביתו, ואז יצא שוב לקיוסק כדי לקנות בירה, ואז נעצר. בחיפוש בביתו נתגלו 23 סכיני מטבח, ונעליים שהתאימו לסימנים שנמצאו ליד אחד הקורבנות. בזמן מעצרו הטיח בשוטרים: "אתם לא מתביישים? אני אדם מבוגר". צ'יקטילו נחקר במשך 10 ימים ולא הודה באף אחד ממעשי הרצח המיוחסים לו. לא היו ראיות ישירות נגדו וכבר לא ניתן היה להאריך את מעצרו. אז פנה קוסטוייב שוב לד"ר בוכנובסקי וזה הסכים לשוחח עם העצור. אחרי השיחה עם הפסיכיאטר ב-30 בנובמבר הודה צ'יקטילו במעשי הרצח והחל לשתף פעולה עם החקירה. הוא הואשם בתחילה ב-36 מעשי רצח, ובהמשך הודה ב-56 כאלה. הוא הוביל את החוקרים למקום קבורתו של אחד הנערים שרצח וכן שיחזר את מעשי הרצח האחרים בפרטי פרטים.
המשפט וההוצאה להורג.
באוקטובר 1991 איבחנו פסיכיאטרים משפטיים את אנדריי צ'יקטילו ככשיר לעמוד לדין, ומשפטו החל ברוסטוב על דון ב-14 באפריל 1992. במהלך המשפט ניסה להעמיד פני משוגע: צעק, העליב שופטים, דיבר בצורה דמגוגית והטיח האשמות על פשעים במשטר הקומוניסטי, בסטלין, בהולודומור ואפילו בסוג הדם שלו. הוא אף טען שהועיל לחברה בכך ש"טיהר" אותה מאנשים חסרי תועלת (הכוונה היא לזונות, מפגרים בשכלם, ונערים בעיתיים שנמלטו מביתם). הוא הביע רצון להיות שפן ניסויים למחקרים פסיכיאטריים. באולם בית המשפט חשף את איבר המין שלו ותהה: "מה אתם חושבים שהייתי אמור לעשות עם הדבר העלוב הזה?".
הפסיכיאטריה המשפטית קבעה שלוש פעמים שצ'יקטילו אינו פסיכוטי, וכי הוא כשיר לעמוד לדין. פסק הדין הארוך הוקרא במשך יומיים (15-16 באוקטובר). אנדריי צ'יקטילו נידון לעונש מוות באשמת 53 מעשי רצח, מתוך 56 שבהם הודה (את שלושת הנותרים לא הצליחה התביעה להוכיח). כמו כן הורשע במעשים מגונים בקטינים (שלא רצח). בזמן שהייתו בתא הכלא הרבה צ'יקטילו להתלונן על השוטרים, שמר על בריאותו, אכל, והתעמל. הוא היה מסתובב בתאו כשהוא ממלמל: "אכלו את אח שלי... אכלו את אח שלי...", ככל הנראה במסגרת הניסיון להתחזות לחולה נפש.
ב-4 בינואר 1994 דחה נשיא רוסיה, בוריס ילצין, את בקשתו לחנינה. ב-14 בפברואר הוצא אנדריי צ'יקטילו להורג בירייה בודדת בעורפו בחצר כלא נובוצ'רקסק בו נכלא.
דמותו של צ'יקטילו בתודעה הקולקטיבית.