2人が拉致された直後の23日午前8時30分頃、フロントガラスやヘッドライトなどが滅茶苦茶に破壊された白いトヨタ・チェイサーが公園北側入口付近の第一駐車場で北向きに駐車してあるのが発見された。車は窓ガラスが全て叩き割られ、ヘッドライド・テールライト・サイドミラーが破損し、車体も棒状の物で叩かれたと思われる数十か所の跡があり、べこべこに凹んでいた。車内からはいくつかの血痕が見つかり、また2人の家族からも翌2月24日になって捜索願が出された。愛知県警察捜査一課・緑警察署は24日、2人が何者かに襲撃・拉致された可能性が高いとして捜査本部を設置し、本格的な捜査を開始した。捜査本部は25日までに、直前に名古屋市港区の名古屋港金城ふ頭で発生したアベック連続襲撃事件（後述）同様に「犯行現場が同じ金城ふ頭である」「犯人グループは木刀をふるっている」「被害者が『シンナー臭をさせている』と証言している」ことから、名古屋市中区栄の久屋大通公園にある噴水周辺に深夜たむろし、シンナー遊びをし、車で暴走を楽しむ暴走族グループの「噴水族」が関係しているとの見方を強め、「噴水族」一味が手口をエスカレートさせて同様の犯行に及んだ可能性が強いとみて、名古屋水上警察署との連携の上で襲撃犯の割り出しに全力を挙げた。「噴水族」は1987年夏に栄のセントラルパーク噴水塔付近にたむろし、シンナーを吸いながら車を無謀に乗り回す不良少年たちが自称したのがはじまりで、逃避的なシンナー族と攻撃的な暴走族が合体した奇妙な存在ではあったが、競争社会から落ちこぼれた少年たちの居場所だったという。吸引のためのシンナーが一般塗料店で少年に販売されなくなっていたが、そこに暴力団が目を付け、1リットル当たり約220円で塗料店から仕入れたシンナーを40 - 50倍もの値で密売して資金源とするようになった。その手口は金城ふ頭へドライブに来たアベックに因縁を付け、男性を引きずり出して木刀・竹刀で殴り、車内から金品を奪うというものだったが、9月下旬のグループ検挙以降は拉致殺害事件直前まで被害届はなくなっていた。この解体されたグループのうち逮捕・補導された数人はこの時点で既に釈放されており、シンナーを吸って木刀で殴るなどの手口が似ている点を重視し、周辺の洗い出しを急いだ。その仲間らのうち、金城ふ頭で前年の1987年7月初めから9月にかけて5件続発したアベック恐喝事件で、名古屋水上署が成人2人・少年少女9人の計11人のグループを特定し、このうち逃走し指名手配された主犯格の暴力団組員を除く10人を恐喝や傷害容疑で逮捕・補導してグループを解体し、同年5月には組ぐるみでシンナー密売を行っていた山口組系暴力団組長が初めて摘発され、組員や少年ら計294人が検挙・補導され、「噴水族」の存在がクローズアップされた。10月には地元の暴力団組長も逮捕され、それ以降は姿を消したが、噴水等より北の名古屋テレビ塔付近にたむろする「テレビ塔族」が事件直前から出現していた。2月26日までに、県警捜査一課・緑署・水上署の捜査本部は、犯人グループを金城ふ頭の2件の事件と同一犯によるものと断定した上で、グループが乗車していた2台の乗用車のうち日産・セドリック（後の報道では日産・グロリア）について、ブラウンメタリック色の1979年（昭和54年）7月 - 1981年（同56年）6月製造の旧型4ドア車（430型）に絞り込んだ。この色はあまり人気がなく、430型販売期間途中の1981年4月には製造終了しており、販売台数が限られていた。また、このセドリックは4ドア（セダンもしくはハードトップ）であり、もう1台の車である白いトヨタ・クラウン同様、窓ガラスには車内が見えないように黒色フィルムが貼られていたため、台数はさらに絞られるとして、捜査本部はシンナー常習の暴走族を中心に所有者の洗い出しを進めた。同日には名古屋市港区内でよく似たブラウンメタリック色のセドリックが発見され、損壊状況や旧型4ドアの形式、窓の黒色フィルムなどが金城ふ頭の被害者らの証言と一致し、現場に近い港区内で発見されたため、犯行に使われた車と断定した。車は盗難車ではなく、所有者とその周辺の人物が犯行に関与したとみて、犯人たちに直結する有力な証拠として所有者・周辺人物の割り出しを急いだ。その後、捜査本部は容疑者として名古屋市及び近郊在住の少年3人（A・B・D）、少女2人（E子・F子）の計5人を特定した。26日夕方に名古屋市内のホテルから捜査本部に寄せられた「犯行当日の23日昼、若い男女6人連れが来た」という通報を受け、6人連れの車の色や形が犯行車両に似ていたため、そのホテル付近を中心に集中で捜索をしていたところ、名古屋市港区野跡3丁目の公園西側路上に、大高緑地に残されたY子のチェイサーに付着していた塗膜片と色が一致し、車体前部が壊れている上、同一犯グループによる金城ふ頭のアベック連続襲撃事件で目撃された形式と合致する日産・グロリアが駐車されているのを発見した。5人が付近の市営南汐止荘にあるAの部屋にいたところを発見し、緑署に任意同行して取り調べたところ「2人を殺して三重県阿山郡大山田村の山中に埋めた」「金を奪う目的で襲ったが、連れ回しているうちに発覚するのが怖くなり殺した」と自供したため、27日午前3時過ぎに5人を強盗致傷・殺人・死体遺棄容疑で逮捕した。Aを遺体遺棄現場に同行させたところ、2人の頭の一部が土中からはみ出しているのを発見した。少年3人は窃盗・恐喝で最大4回検挙歴が、家出や喫煙・退学などの補導歴もあり、少女1人も家出で1回補導されていた。県警捜査一課、緑署・名古屋水上署による特別捜査本部は27日午後から逮捕した少年少女5人の本格的な取り調べを開始し、5人の自供から、事件後行方をくらましていたCを特定し、28日未明にAら5人同様に殺人・死体遺棄などの容疑で逮捕した。シンナー遊びについては、2人の男女だけがすったことを認めた以外は否認もしくは黙秘したが、グループのたまり場だったA宅にはシンナー臭が立ち込めており「栄噴水族二代目リーダー」と書き込まれたカレンダーも見つかったことから、6人は「噴水族」であると特捜本部は見た。犯行グループは特に共通のつながりはない遊び仲間で、2，3か月程度の付き合いしかない者もいた一方、A宅には山口組系暴力団の代紋入りの鏡や灰皿があり、グロリアの所有者も山口組系暴力団関係者であり、組員のCが逮捕されたことから、グループと暴力団の関係も浮上した。同日、遺体発見現場で2人の遺体の発掘作業を行い、27日午後4時前に収容し家族が確認した。特捜本部は28日までに、大高緑地でのX・Y子両名の殺害には関与しなかったものの、それ以前の金城ふ頭の2事件に関与した仲間の少年2人を割り出し、強盗致傷容疑で行方を追った。大高緑地での事件の犯行グループはすでに逮捕した6人のみと断定した一方、金城ふ頭事件の被害者が「犯人は8人組だった」と証言したため、6人を追及したところ「別の2人も金城ふ頭の事件に加わっていた。しかし大高緑地に行く途中で2人は栄で車を降りて別れた」と自供したため、一連の事件解明にはこの2人も欠かせないとみた。X・Y子両名の遺体を司法解剖した結果、死因は首を絞められたことによる窒息死であり、顔・頭・胸・手足など全身に多数の打撲傷もあったため「2人を木刀で滅多打ちにし、ロープで絞殺した」という6人の自供を裏付けた。特捜本部は同日、先に逮捕したAら5人を名古屋地方検察庁に送検した。6人は取り調べに対しては比較的素直には応じていたが、時折薄ら笑いを浮かべるなど一様にあっけらかんとした様子で、反省の色はほとんどうかがえなかった。特捜本部は3月1日までに、主犯格の少年Aが1986年10月から事件前年の1987年暮れまで広域暴力団山口組系弘道会薗田組に暴力団組員として所属していたことが明らかになった。Aは薗田組で新入りとして使い走りや電話番などをしており、所属中の1987年2月には中川区内で空き巣に入り逮捕されたこともあったが、前年12月にとび職として働き始めたのを機に、両親の強い勧めもあって暴力団を脱退することを決意し、刑事の立ち合いの下で母親とともに組幹部に会い、薗田組と手を切ることを確認し合っていたという。Cは1987年7月に薗田組に加わっており、年下のAが暴力団組員としては兄貴分だった。Aは名目上暴力団から離脱後もCらとの交際は続けており、グループの他の少年も薗田組事務所に出入りしていたという情報があった。その後の調べで、A同様殺害実行犯のBも同じく薗田組の元組員で、Dも他の暴力団に出入りしていたことから、男は全員が暴力団関係者だったことが判明した。