כאשר למדו השוטרים מפי שאר הדיירים כי הדירה העליונה ממנה הגיעו העצמות וחתיכות הבשר לצנרת הייתה שייכת לנילסן, החליטו הפקד פיטר ג'יי ושני עמיתים נוספים להמתין בכניסה לבניין עד שיחזור ממקום עבודתו. כאשר הגיע למפתן דלתו, בירכו אותו לשלום והסבירו כי באו לבדוק את מקור הסתימה בצנרת. נילסן תהה לגבי התעניינותה של המשטרה בסתימות ושאל האם שני עמיתיו של ג'יי היו פקחי תברואה. ג'יי השיב כי שניהם היו שוטרים וביקש לעלות לדירתו על מנת לבדוק את העניין לעומק.
שלושת השוטרים עלו בעקבות נילסן לדירתו ומיד הבחינו בריח הריקבון החזק. נילסן שאל בשנית מדוע התעניינו בסתימות הצנרת, ונענה כי הן נגרמו כתוצאה מחסימה של שאריות אנושיות. בתגובה הביע הלם ובלבול, ואמר, "אוי ואבוי, כמה נורא!"; ג'יי התקרב אליו והשיב, "אל תשחק איתנו, איפה שאר הגופה?"; נילסן השיב ברוגע כי השאריות שנותרו נמצאו בשתי שקיות פלסטיק בארון הבגדים. השוטרים לא פתחו את הארון אלא שאלו אותו האם היו חלקי גופות במקומות אחרים בבית. בתגובה אמר להם נילסן, "זה סיפור ארוך שנמשך כבר הרבה זמן. אני אספר לכם הכל, אני רוצה להוריד את זה ממני. אבל לא כאן, בתחנת המשטרה"; נילסן נעצר בחשד לרצח ונלקח לתחנת המשטרה. במהלך נסיעתם נשאל האם השאריות בדירתו היו שייכות לאדם אחד או שניים, ובעודו בוהה מחוץ לחלון השיב, "חמישה עשר או שישה עשר, מאז 1978".
באותו הערב ליווה הפקד הבכיר צ'יימברס את פקד ג'יי והפתולוג בוואן חזרה לגני קראנלי בכדי לקחת את שקיות הפלסטיק שהכילו את שאריות הגופות אל חדר המתים. אחד השקים הכיל שני פלגי גוף עליונים (קרי גוף חסר ראש וגפיים) ושקית קניות מלאה באיברים פנימיים. השק השני הכיל גולגולת אנושית חסרת בשר או עור, ראש כרות, ופלג גוף עם זרועות אך ללא כפות ידיים. שני הראשים שהתגלו הושרו במים רותחים.
הודאה.
בחקירה המשטרתית שנערכה ב-10 בפברואר הודה נילסן בהימצאותם של חלקי גופות נוספים בתיבת התה שבסלון ביתו, וכן באחת המגירות שבחדר השירותים. חלקים אלו היו שייכים לשלושה קורבנות שמתו כתוצאה מחניקה, ככל הנראה בעזרת עניבה. בשמו של אחד מהם לא הצליח להיזכר, קורבן אחר הכיר רק בשם "ג'ון השומר", ואת השלישי זיהה כסטפן סינקלייר. כמו כן מסר כי מאז דצמבר 1978 רצח שנים עשר או שלושה עשר גברים במקום מגוריו הקודם בשדרות מלרוז 195. בנוסף לכך הודה כי ניסה לרצוח שבעה אנשים אחרים אשר הצליחו להימלט, למעט מקרה אחד בו קורבנו היה על סף המוות לאחר שנחנק בחוזקה, בטרם ביצע בו החייאה והרשה לו לעזוב את ביתו.
בחיפוש נוסף בביתו שנערך באותו יום נמצאה שקית בחדר השירותים שהכילה את פלג גופו התחתון של קורבן מסוים, בנוסף לשתי רגליים, גולגולת, חלק גוף נוסף, ועצמות שונות. במקביל לחיפוש התלווה נילסן אל חוקרי המשטרה שנסעו למקום מגוריו הקודם בשדרות מלרוז, שם הצביע על שלושת המקומות בהם הקים את המדורות איתן שרף את שאריות קורבנותיו.
האינסטלטור מייקל קטרן, אשר היה הראשון לגלות את הסתימה בדירתו של נילסן אשר הובילה למעצרו, פנה אל עיתון הדיילי מירור ודיווח על השתלשלות האירועים ומציאת חלקי הגופות בביתו. בעקבות זאת דלף הסיפור לציבור ומשך סקירה תקשורתית רחבה בקנה מידה לאומי. תוך כמה שעות השיגו כתבי העיתון תמונות מידי אמו של נילסן באברדינשייר, אשר הודפסו במהדורת היום הבא.
תחת החוק האנגלי הייתה המשטרה חייבת להגיש אישום כלשהו נגד נילסן בתוך ארבעים ושמונה שעות מרגע מעצרו או לשחררו. לאחר שנאספו כל שאריות הגופות מגני קראנלי על רצפת חדר המתים בהורנסי, הצליח הפתולוג בוואן להתאים את טביעות אצבעותיה של אחת הגופות עם טביעותיו של סטפן סינקלייר אשר נמצאו בארכיון המשטרה. בשעה 17:40 ב-11 בפברואר הואשם נילסן ברצח, והצהרה בדבר המשך מעצרו שוחררה לתקשורת. באותו הערב נפתחה החקירה הרשמית ולראשונה הסכים נילסן לקבל ייצוג משפטי. במהלך הימים הבאים ראיינו אותו השוטרים בשישה מקרים שונים, כאשר משך סך החקירות נאמד ביותר משלושים שעות.
נילסן התעקש כי לא ידע מדוע ביצע את מעשיו, ואמר בפשטות, "קיוויתי שאתם תוכלו לומר לי למה"; כמו כן עמד על כך שהחלטתו לרצוח לא נעשתה עד לרגעים האחרונים שקדמו לעצם המעשה. הוא סיפר כי במספר אירועים הטביע את קורבנותיו לאחר שאיבדו את הכרתם כתוצאה מכך שחנק אותם; לאחר מכן נהג לשטוף את גופותיהם, לגלח את שיער גופן, אם היה כזה בנמצא, ולאפר פצעים או סימנים כלשהם שנראו על העור. הגופות הולבשו בדרך כלל בגרביים ותחתונים, בטרם הסתיר נילסן גופות אחרות, אם היו בנמצא, בעזרת וילון, ופתח בשיחה עם קורבנו החדש. בשלב זה לרוב החל לאונן בעודו עומד או כורע לצד הגופה, וכן נהג לקיים של הגופות, אף על פי שעמד בתוקף על כך שמעולם לא חדר לאף אחת מהן, מאחר שלדבריו היו קורבנותיו, "כה מושלמים ויפים עבור קיום הטקס הפתטי של יחסי מין פשוטים".
כל חפציהם האישיים ורכושם הפרטי של קורבנותיו הושמדו לאחר ששטף את גופותיהם. השטיפה נעשתה במטרה למחוק את זהויותיהם הקודמות לרצח, ולסמל את הפיכתם לכדי מה שנילסן כינה "אביזרים" שקיבלו תפקיד בפנטזיות שלו. במספר מקרים שוחח עם הגופות לאחר שהושיב אותן על כיסא או במיטתו, ולדבריו נכנס למצב מאוד רגשי כאשר בהה בתדהמה ביופי של גופם. בהתייחס לאחד הקורבנות, קנת אוקנדן, סיפר נילסן ש"גופו ועורו היו יפהפיים" וכי התמונה כולה הייתה מרגשת עד דמעות.
בנוגע לקורבנות שנהרגו בבית מגוריו הראשון, אמר נילסן כי שמר את גופותיהם לאורך הזמן המרבי שתהליך הריקבון איפשר לו. כאשר הבחין בסימנים משמעותיים של דעיכה והתפרקות החליט להחביא את הגופות תחת אריחי הרצפה לאלתר. אם הגופות לא הראו כל סימנים מתריעים, היה מכניס ומוציא אותן מבעד לרצפתו לסירוגין, בייחוד כאשר רצה לאונן. במקרים אלו השתמש שוב באיפור על מנת לשמר את יופיין של הגופות.
כאשר נשאל מדוע הראשים שהתגלו בדירתו בגני קראנלי נחשפו לחום גבוה, הסביר נילסן כי לעיתים נהג להרתיח אותם בסירי בישול גדולים מעל לתנורו בכדי שהבשר והאיברים הפנימיים יתאדו, כך שלא יצטרך להתעסק בהסרת המוח. פלגי הגוף העליונים והגפיים של שלושת הקורבנות שנרצחו באותה דירה בותרו לאורך השבוע הראשון לאחר מותם, לפני שנעטפו ביריעות פלסטיק ואוחסנו בשלושת המקומות השונים עליהם סיפר למשטרה; את האיברים הפנימיים והעצמות הקטנות הוריד באסלה, שיטה אשר הובילה לבסוף למעצרו, בה השתמש, לדבריו, מאחר שהייתה הדרך היחידה עליה הצליח לחשוב בכדי להיפטר מהשאריות לאחר שאיבד את גישתו לגינה.
בזמן שהתגורר בשדרות מלרוז נהג לשמור את הגופות לתקופות ממושכות יותר מאשר בגני קראנלי, לפני שהחל לבתרן. לדבריו הסתיר שלוש או ארבע גופות מתחת לאריחי הרצפה בטרם ביתר אותן, אולם גם לאחר מכן השיב את השאריות חזרה למקומן, למעט בשני מקרים בהם הכניסן לתוך שתי מזוודות אשר הושארו במקום בידי דייר קודם. שאריות אלו, אשר היו שייכות לאוקנדן ודאפי, הונחו לבסוף בתוך צריף בגינה האחורית, ונשרפו במדורה השנייה שהקים בשטחו.
בעדותו אמר כי ביותר ממקרה אחד הסיר את איבריהן הפנימיים של הגופות והניחם בשקיות, אותן שפך כעבור זמן מה לצד גדר סמוכה לביתו בכדי שייאכלו בידי בעלי חיים. הוא נזכר כי ריח הריקבון שנוצר הפך את המלאכה למגעילה ביותר, ואמר שנאלץ לשתות כמויות גדולות של וויסקי בכדי שיוכל להתמודד עם המשימה הקשה; כמו כן נזקק למלח רב בכדי לסלק את הרימות שאכלו את השאריות. לעיתים קרובות הקיא בזמן הביתור, אולם הדבר לא מנע ממנו לאונן לצד הגופות בטרם לקח אותן למדורה. זו, הסביר, הייתה דרכו הסמלית להיפרד לשלום מקורבנותיו.
בתום החקירה נשאל נילסן האם חש חרטה עבור מעשיו. הוא השיב בתגובה, "הלוואי שיכולתי לעצור, אבל לא היו לי ריגושים או הנאות אחרים"; כמו כן אמר כי לא הפיק כל תענוג ממעשי הרצח, אך כן "סגד לאומנות והתגשמות המוות".
משפט.
אישומים.
כתב אישום רשמי הוגש נגד נילסן ב-11 בפברואר 1983 בגין הרצח של סטפן סינקלייר. הוא נעצר עד תום ההליכים ונלקח לבית הכלא בריקסטון. עם מעברו לכלא חש שלווה ורוגע, לדבריו, מאחר שהאמין כי תחת החוק יהיה מחויב לקבל יחס הראוי לאדם חף מפשע לפחות עד שתוכח אשמתו. לדאבונו גילה כי ייאלץ ללבוש את בגדי האסירים והתנגד לכך בתוקף, תוך איום כי אם לא יורשה לו ללבוש את בגדיו הרגילים אז לא ילבש בגדים בכלל, ויתהלך ערום. כתוצאה מכך נענש ונאסר עליו לעזוב את תאו. ב-1 באוגוסט השליך את תכולת סיר הלילה שלו החוצה ופגע במספר סוהרים. בשל תקרית זו הואשם בתקיפת סוהרים ב-9 באוגוסט ונשלח לתקופת בידוד בת חמישים ושישה ימים.
משפטו נקבע ל-26 במאי באולד ביילי, והוא הואשם בחמישה סעיפי רצח ושני סעיפי ניסיון לרצח, כאשר סעיף רצח נוסף התווסף בהמשך. במהלך שימועו הראשוני יוצג בידי עורך הדין רונלד מוס, אותו שחרר משירותיו קודם לכן, ב-21 באפריל. מוס מונה לייצגו מחדש לאחר שהתלונן נילסן בפני המגיסטראטים כי לא קיבל כל ייצוג משפטי הולם לצורך הכנת הגנתו. מוס נותר בתפקידו עד לחודש יולי באותה שנה, אז הביע נילסן שוב את רצונו לייצג את עצמו ופיטר אותו, אולם מינה אותו מחדש ב-5 באוגוסט.
תחילה התכוון נילסן להודות באשמה עבור כל הסעיפים שהוגשו נגדו, ובהתאם לרצונו הכין עבורו מוס את המסמכים המשפטיים המתאימים, אולם כחמישה שבועות לפני תחילת המשפט שחרר אותו מתפקידו והחל להתייעץ עם עורך הדין ראלף סם היימס, אשר המליץ לו לטעון לחפות מפשע בגין אחריות מופחתת.
משפט.
משפטו של נילסן החל ב-24 באוקטובר 1983 באולד ביילי בפני השופט , בו טען לחפות מפשע בגין אחריות מופחתת בפני ששת סעיפי הרצח ושני סעיפי הניסיון.