באותו הערב נעצר חסר בית תמהוני בן 57, שהכחיש כל קשר לרצח, ושוחרר כעבור חמישה ימים, לאחר שאומת האליבי שסיפק. לאחר שחרורו, נעצר גנן בית הספר למשך יומיים, אך שוחרר גם הוא לאחר שסיפק אליבי מאומת. המשטרה חשדה גם בבני סלע, עבריין מין סדרתי שברח ממעצר מספר ימים לפני הרצח. סלע נתפס יומיים לאחר הרצח ולא נמצאו ראיות שקשרו אותו לרצח. במהלך חקירת המשטרה נבדק גם הכיוון הלאומני, אך הוא נשלל בעקבות הערכות מודיעיניות, כי מדובר בכיוון חקירה בעל סיכוי קלוש.
מעצרו של רומן זדורוב.
ב-12 בדצמבר 2006 שישה ימים לאחר הרצח, עצרה המשטרה את רומן זדורוב, פועל בניין יליד 1978 (בן 28+ בעת המעצר), שעבד בשיפוצים בבית ספרה של ראדה. זדורוב הגיע לישראל מאוקראינה בנובמבר 2002, החזיק באשרת תייר, והאריך את שהותו מספר פעמים. בפברואר 2005 הוא נישא לאולגה, אזרחית ישראלית. בני הזוג עברו לגור אצל הוריה של אולגה בקצרין, ובאוקטובר 2006, חודשיים לפני הרצח, נולד בנם הבכור. זדורוב, שאיננו יהודי ולא זכאי לעלות מכוח חוק השבות, פנה למשרד הפנים בבקשה לקבלת אזרחות, הליך שצפוי היה להימשך כארבע שנים.
במהלך שהותו בישראל, החל זדורוב לעבוד בחברה קבלנית שערכה שיפוצים במוסדות ובבתים פרטיים. במסגרת אחת העבודות, הוא ריצף את מקלט בית הספר שראדה למדה בו. הרצח התרחש ביום עבודתו האחרון במקום.
בתחילה, הכחיש זדורוב כל קשר לרצח. עם זאת, סתירות פנימיות בעדותו חיזקו את חשד החוקרים כנגדו. לאחר שמונה ימי חקירה, בלילה שבין 18 ל-19 בדצמבר 2006, סיפר למדובב שהוכנס לתאו על כך שרצח את תאיר. זדורוב הדגים בפני המדובב את "מיומנות שיסוף צוואר באמצעות סכין", שטען שלמד לאחר קריאת מאמר ברשת. בנוסף, פירט זדורוב את שמות העורקים שיש לקרוע בצוואר - במטרה לגרום למוות מהיר. התיאור שתיאר נגע גם לכיוון שיסוף גרונה של המנוחה וזאת מבלי שהייתה לו לכאורה דרך לדעת על כך אלא אם היה בזירה. זדורוב מסר עוד פרטים מוכמנים - שהמנוחה נעלה נעלי ספורט, וצדק בשניים מארבעת צבעי הנעל. כמו כן ציין שהמנוחה לא נאנסה, פרט שהתקבל כמוכמן. עובדה זו לא הייתה ידועה לציבור.
למחרת, ביום 19 בדצמבר 2006 בשעות הערב שיחזר זדורוב בפני חוקרי המשטרה את הרצח לפרטיו. במהלך השחזור מסר מספר פרטים שהתביעה טענה שיש לראותם כמוכמנים, ובהם תיאור המקומות שבהם דקר את ראדה, החתכים שביצע במרפקי ידיה לאחר מותה, מיקום תא השירותים שבו נרצחה מתוך ארבעת התאים, ציון העובדה שתא השירותים ננעל על ידו מבפנים לאחר הרצח ותיאור שערה של ראדה האסוף בצמה. זדורוב חשף את המניע לרצח, שהיה לטענתו גידופים ועלבונות שהטיחה בו ראדה, בעקבות סירובו לבקשתה לתת לה סיגריה. כמו כן, תיאר את תחושותיו: "הרגשתי קצת שנאה. רציתי שתרגיש כאב, אבל לא רציתי לרצוח אותה".
על פי הודאתו, עקב זדורוב אחר ראדה בדרכה לשירותי הבנות, שם שלף סכין ושיסף את צווארה. בשונה מעדות של שני תלמידי בית הספר, שלדבריהם ראו את ראדה עולה לבדה במדרגות. למחרת פרסום המניע לרצח, חזר בו זדורוב וטען כי הודה ברצח בעקבות לחצים שהפעילו עליו השוטרים. יומיים לאחר שחזר בו מהודאתו, שינה זדורוב את גרסתו, ולדברי המשטרה הודה פעם נוספת במיוחס לו. בהודאתו השנייה סיפק גם הסבר פסיכולוגי: בהיותו בן שמונה התעללה בו קבוצת בנות בבית ספרו. אחת מהן, שלטענתו דמתה לראדה, הכתה אותו באשכיו ודחפה מקל לגופו. לכן, כאשר ראה את הנערה, החליט לפגוע בה באופן מיני ופיזי. מניע זה של זדורוב לא נכלל בכתב האישום, מאחר שלא רצה לחתום על הודאה הכוללת טענה זאת.
במהלך החקירה נתגלו שני פרטי מידע נוספים שקשרו לדברי התביעה את זדורוב לרצח. לפני הרצח חיפש זדורוב באינטרנט סרטי "סנאף", סרטים שבהם מצולמים אנשים אמיתיים בעת שהם נאנסים או נרצחים, הוא גם קרא כתבות על הדרך בה ניתן לשסף צווארו של אדם והתעניין בטקטיקות הגנה במשפטי רצח. בנוסף לכך, גילה זדורוב בחקירתו כי סבל בעבר מהתפרצות זעם דומה, שהופנתה כלפי אחיו ברוסיה וכלפי שיכורים. עם זאת טען, כי לא רצח אף אחד מהם, אלא שייתכן שהפך אותם לנכים.
מנגד, טענו בני משפחתה של הנרצחת כי תאיר לא עישנה סיגריות; יתרה מזאת: היא אף סלדה מעשן סיגריות. כמו כן, טענו חבריה שתיאור הקללות אינו הולם את התנהגותה, וכי הם לא שמעו אותה מקללת.
בבית המשפט המחוזי.
ב-18 בינואר 2007 הוגש לבית המשפט המחוזי בנצרת כתב אישום נגד זדורוב - בגין רצח ושיבוש מהלכי משפט. כתב האישום כלל תיאור של מעשה הרצח: זדורוב הבחין בראדה כשעלתה לשירותים בקומה השנייה ונכנס בעקבותיה. ראדה, כך נטען,
עוד נטען בכתב האישום שלאחר שיצא זדורוב משירותי הבנות הוא ירד אל הקומה הראשונה, נכנס לשירותי הבנים, שטף את הסכין היפנית שעמה ביצע את הרצח, ניקה מעליו את דמה של ראדה, וחזר לעבודות הריצוף במקלט - עד השעה 17:30. לאחר מכן, החליף את להב הסכין, ודאג להעלים את הלהב הקודם, כמו גם את המכנסיים שלבש.
מז"פ משטרת ישראל לא איתרו ממצא דמי כלשהו בשירותי הבנים, גם לא על בגדיו ועל כלי עבודתו של זדורוב. כמו כן, במהלך חיפושים באתר האשפה "תאנים" - נמצאו מספר זוגות מכנסים שנחזו לתיאור מכנסיו. גם עליהם לא נמצא ממצא דמי כלשהו, והמשטרה השמידה אותם.
ב-8 בפברואר 2007 החל משפטו של זדורוב. ב-7 ביולי 2007 נחשפה הודאתו של זדורוב, כמו גם צילומי הווידאו שבהם תועד מודה בפני מדובב ומשחזר את הרצח בפני חוקרי המשטרה. בהודאתו הכתובה ציין את פרטים הנוגעים לרצח ובין היתר נקב בשני צבעים מתוך ארבעת צבעי נעליה של ראדה וכמו כן סיפר שראדה לבשה בעת האירוע מכנסי ג'ינס, וששיערה היה אסוף בצורת צמה. עורך דינו של זדורוב, דוד שפיגל, טען מנגד כי אדם רגיש ושביר, שלחץ המשטרה כופף אותו וגרם לו להודות בזה.
ב-22 באפריל 2007 לאחר פתיחת משפטו של זדורוב, הגישה משפחת ראדה עתירה לבג"ץ בדרישה לפתוח מחדש את התיק המשטרתי ולחדש את חקירת הרצח. זאת בנימוק שהמשטרה והפרקליטות מיהרו להגיש כתב אישום נגד זדורוב בלא שמיצו כיווני חקירה אחרים. לעתירה זו צורפו ראיות מזירת הרצח, שלטענת העותרים סתרו את גרסת המשטרה. ב-20 במאי 2007 דחה בג"ץ את עתירתה של משפחת ראדה על הסף.
שלושה שבועות לאחר הרצח חוקר הסיבים מצא טביעת נעל על מכנסי הג'ינס של תאיר, שלטענת התביעה התאימה לחלוטין לנעל של זדורוב.
במהלך הדיון המשפטי התברר, כי בין העדויות שבידי המשטרה ישנן גם כאלה שאינן תומכות בגרסתה. למשל, לי לחיאני ונופר בן דוד, אשר שהו בתא השירותים סמוך לשעת הרצח, סיפרו שמתוך תא הרצח נשמע קול גבוה שטען כי התא תפוס. נערה אחרת העידה, כי ראתה נערה לבושה במדי בית הספר, שאותה לא ראתה מעולם קודם לכן - באזור זירת הרצח. נוסף לכך התברר, כי נערה שמסרה עדות שמיעה כי חברתה יודעת מי הרוצחים, אך סרבה לנקוב בשמה ולא הוזמנה למסור עדות שנייה. השופט יצחק כהן ביקר את המשטרה על כך.
במרץ 2009 כשנתיים וחצי לאחר הרצח, מסרה תלמידה נוספת עדות, לפיה נכנסה לשירותים בשעה 14:05, מצאה את דלת תא 3 נעולה; התכופפה מבעד לחריץ דלת התא השלישי והבחינה בטיפות דם על הרצפה ובזוג רגליים נעולות נעלי אולסטאר - בחלקו הימני של התא.
הרשעתו של זדורוב.
ב-14 בספטמבר 2010 ניתן פסק דינו של זדורוב. סגן נשיא בית המשפט ואב בית הדין, יצחק כהן, והשופטים חיים גלפז ואסתר הלמן, הרשיעו את זדורוב פה אחד ברצח בכוונת תחילה ובשיבוש מהלכי חקירה. הכרעת הדין התפרשה על פני 456 עמודים.
את תמצית פסק הדין קרא במשך שלושת רבעי שעה השופט יצחק כהן. בין השאר אמר:
השופט כהן ביסס את ההרשעה על כך, שזדורוב ידע לפחות שבעה פרטים מוכמנים, שאיש זולת הרוצח לא יכול היה לדעת מלבדו, ועל הווידוי של זדורוב בפני מדובב. השופט הדגיש, כי דבר הווידוי אינו נובע מעדותו של המדובב, אלא מדבריו של זדורוב עצמו שהוקלטו. בנוסף, ביסס כהן את ההרשעה על טביעת נעלו של זדורוב, שנמצאה על מכנסיה של ראדה, תוך שהוא פוסל את עדותו הד"ר גאי קופר, מומחה שהביאה ההגנה מאנגליה, ומאמץ את הסבריו של ראש תחום השוואת עקבות נעליים במעבדת המשטרה לסימנים וחומרים, רפ"ק ירון שור.
מאחר שהרשעה בעבירת רצח מחייבת ענישה במאסר עולם, גזר בית המשפט באותו המעמד עונש זה על זדורוב.
בנוסף להרשעה ברצח, הרשיע בית המשפט את זדורוב גם בעבירה של שיבוש מהלכי משפט, וגזר עליו עונש של שלוש שנות מאסר, שתהיינה חופפות לתקופת המאסר על עבירת הרצח.
תביעת נזיקין.
הוריה של תאיר ראדה הגישו תביעת נזיקין אזרחית כנגד בית הספר "נופי גולן" בו נרצחה בתם, המועצה האזורית גולן, המועצה המקומית, קצרין ומשרד החינוך. טענת התביעה הייתה, שהרשויות התרשלו בהגנה על חיי תאיר. ב-1 בפברואר 2012, הגיעו הצדדים להסכם פשרה, לפיו תפוצה משפחת ראדה בסך מיליון וחצי שקלים. בין החייבים בתשלום נמצאה גם חברת האבטחה "רשת ביטחון", שהעניקה שירותי שמירה בבית הספר, וכן המורה לדרמה, שבמהלך שיעורו אירע הרצח - מאחר שלא בדק מדוע ראדה לא נכחה בשיעורו.
בבית משפט העליון.
הערעור הראשון לבית המשפט העליון והחזרת התיק לבית המשפט המחוזי.
זדורוב עירער על פסק הדין לבית המשפט העליון, ובערעור הציג חוות דעת של מומחים, הסותרות, לטענת סנגוריו, חלקים מהותיים מהראיות ששימשו להרשעתו, בין היתר בעניין זיהוי טביעת הנעל. בנוסף, האזינו השופטים להקלטות, שלטענת המשטרה הודה זדורוב במהלכן ברצח. ב-17 במרץ 2013 בצעד נדיר, הורה בית המשפט העליון למחוזי לעיין בראיות ולשקול מחדש את משמעותן. ב-24 בפברואר 2014 דחו שופטי בית המשפט המחוזי בנצרת את טענות ההגנה, ובכך הרשיעו שנית את זדורוב ברצח תאיר ראדה.