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2004年9月22日午前1時前、福岡県警捜査一課・大牟田署はCの遺体を馬沖橋から諏訪川に遺棄したとして、女K2を死体遺棄容疑で逮捕した。その後K2は福岡県警の取り調べに対し「4人を殺害した」と供述した。その内容については既に遺体が発見されたC以外について「A・B・Dの3人を、Aの車ごと川に捨てた」と供述した。その供述を裏付けるかのようにCの母親でK2の知人だった58歳女性A、Aの長男・Cの兄である大学1年生の少年B、Bの友人である17歳少年Dの計3人がそれぞれ行方不明になっていることが新たに判明した。福岡県警の捜査に対し「金の貸し借りを巡りK2・Aの両者間にトラブルがあった」との情報が提供されたことから、福岡県警は80人態勢で行方不明となった3人の発見に全力を挙げた。それとともに金銭トラブルの真偽について確認を急いだ。その上で福岡県警は、Cの遺体発見現場である馬沖橋を通行止めにした上で、午後9時過ぎまで現場周辺の捜索を行った。
9月22日午前9時過ぎ、K2の夫K1が大牟田署2階の刑事課を訪れ「妻が逮捕された理由を聞きたい」と申し出た。この時点ではK1に対し出頭要請はしていなかったため、身体検査などは行わなかった。その後、大牟田署捜査員が1人で応対し、取調室で約1時間にわたりK1に対し机を挟んで事情を話した。その後、午前10時16分頃K1は突然拳銃を取り出した。捜査員が制止する暇もないままK1は銃口を自身のこめかみに当て、1発発砲し自殺を図った。K1は命に別状はなかったものの、病院に搬送され治療を受けた。大牟田署の副署長（当時）・縄田和生は、「こんなところ（署内）で（拳銃を）発砲されるとは想定していなかった。腹立たしいが（この時点ではK1を）被疑者として呼び出していたわけではなかったため、人権上、身体検査などはできない」と説明した。その上で「再発防止に関し、今後、知恵を絞っていかなければならない」と話した。
Cの死体遺棄容疑で逮捕された被疑者K2は2004年9月23日までの取り調べに対し「A・B・Cの一家3人を含め4人を殺害した。そのうちCを除く3人は車ごと川に沈めた」と供述した。同日付で福岡県警は連続殺人・死体遺棄事件として大牟田署に捜査本部を設置した。後述のようにA・B・Dの3人の遺体を乗せた車は運転席が空いていたことから、運転免許証を持っていたK2が別の場所で3人を殺害した後、遺体を乗せた車を現場近くまで運転し川に沈めた疑いが強まった。その一方で福岡県警は「女性であるK2単独では4人の殺害・遺体遺棄など一連の犯行を遂行するのは困難だ」として、大牟田署内で拳銃自殺を図ったK2の夫K1についても、犯行に関与した疑いがあるとして調べを進めた。また福岡県警は2004年9月23日付で、被疑者K2を死体遺棄容疑で福岡地方検察庁久留米支部に送致した。
2004年9月23日夜、福岡県警は諏訪川の川底で大規模な捜索を行った。諏訪川のうち捜索した箇所は最深4mで、通常でも視界50cmほどと透明度は低く泥質の川底だったため捜索は難航した。これに加え同日は雨天で更に見通しが悪くなっていたため、捜索はさらなる困難を極めた。そのような状況で、Cの遺体が発見された馬沖橋付近から約350m下流の、川が大きく蛇行しヘドロが堆積した諏訪川の川底（水深約3.5m、川幅約30mの中央部分）を大型クレーン車・投光器などを使用し捜索した。その結果、県警機動隊所属のダイバーが潜水作業をしていたところ午後6時すぎになって、女性Aが所有していた赤茶色の軽乗用車が沈められているのを発見した。午後9時頃、車を大型クレーン車で引き揚げたところ、車内から男女3人の遺体が発見された。3人の遺体はいずれも衣服を着たままで、ロープなどで縛られた痕跡はなかった。遺体は助手席、後部座席にあったが、一方で運転席は空いていた。発見時、車のナンバープレートは発覚を遅らせる工作目的か前後とも取り外されていた。
2004年9月23日、福岡県警捜査本部はK1・K2夫妻の次男K4を大牟田市内で発見し、任意同行を求めた。同日深夜、福岡県警はK2の共犯として「9月18日早朝、K2と共謀し、Cの遺体を馬沖橋から諏訪川に投げ込み遺棄した」として、次男K4を死体遺棄容疑で逮捕した。K4については逮捕の第一報となった『読売新聞』2004年9月25日西部夕刊1面では「大牟田市在住の20歳男、被害者のうちの1人と友人関係」と匿名で報道されており、K2との血縁関係については言及されていなかった。その後『読売新聞』2004年9月26日東京朝刊第一社会面39面・西部朝刊第一社会面39面では実名報道に切り替えられた上で「K4の息子」であることが明示されたが、西部朝刊ではK4はK2の「次男」であるところを、「K4はK2の長男」と報道された。
福岡県警捜査本部は2004年9月24日、車に沈められた軽乗用車内で発見された3人の遺体をいずれも司法解剖し、死因・身元の特定を進めた。その結果遺体の身元は行方不明だった女性A、Aの長男B、Bの友人少年Dと、それぞれ断定した。また司法解剖の結果、3人の遺体は死後1週間程度経過していることが判明したが、死因・外傷などはこの時点では明らかにされなかった。この時点までの取り調べに対し、K2は「大それたことをしてしまった」など反省の言葉を述べ、手を合わせて泣くこともあった。
また被疑者K2は取り調べに対し「被害者Aから借金していた」と供述した。これに加えAの友人たちから「Aは、K2に数百万円を貸していた。『なかなか返してもらえない』とこぼしてもいた」という情報提供があった。しかし金銭トラブルのみが動機だとした場合、AだけならまだしもB・C兄弟や無関係なDまで殺害することはかなり不自然だった。そのため福岡県警は他に殺害につながるようなトラブルがなかったか、慎重に捜査を進めた。
A・B・Dの被害者3人の遺体がそれぞれ軽乗用車の助手席・後部座席にあった一方で運転席が空いていたことから、福岡県警は「3人は別の場所で殺害された後、K2が遺棄現場付近まで自ら車を運転し土手から車ごと川に転落させた」とみて同日、遺棄現場の諏訪川で遺留品の捜索を行った。これに加え現場検証を行い車の侵入経路を確認した。その結果、付近の土手から諏訪川の川岸にかけて車が通ったような痕跡が確認された。
福岡県警捜査本部が遺体を司法解剖した結果、B・D両名の遺体にはそれぞれ3発ずつ拳銃で銃撃された痕があったことが2004年9月25日になって判明した。その一方でAの遺体には目立った外傷はなかった。前述のように女性であるK2だけでは4人の殺害・遺体遺棄は困難とみられることから、福岡県警は複数人による犯行である線を強めた。またK1が事情聴取中、取調室で拳銃自殺を図ったことから、K1が銃の入手経路など事情を知っているとみて、回復を待ち事件への関与の有無などを聴取する方針を固めた。
福岡県警は2004年9月25日付で、Cの死体遺棄容疑で逮捕されたK2の共犯として、K2の次男K4を同じく死体遺棄容疑で逮捕したことを発表した。これに加え被害者B・DとK4との間に交友関係を巡りトラブルがあったとする情報が福岡県警捜査本部に提供されたため、福岡県警は慎重に関連を調べた。
遺体で発見された被害者A・B・Cの親子3人の通夜が、Aの母親（B・Cの母方祖母）が喪主を務め、同日、大牟田市内の斎場で営まれた。翌26日、親子3人の告別式が営まれた。同日、被害者Dの告別式も同市内の斎場で営まれた。
2004年9月26日、福岡県警捜査本部が親族の立ち会いの下、被害者A宅の状況を確認した結果、A宅の室内から小型金庫がなくなっていたことが判明した。これに加え、Aは周囲の知人に対し利息を付けて金を貸しており、失われた小型金庫は現金・証書の保管などに使用されていた。また被疑者K2はAから数百万円の借金をしていた。その上でその金を原資に、夫K1が貸金業を経営していた。K2はその元手としてAから多額の借金をしていたことが、同日までに判明した。K2は借金の取り立てなどでAに協力することがあったが、借金の返済などを巡りAとトラブルになっていた。このことから福岡県警は金銭トラブルが有力な犯行動機とみて、金庫の紛失を含めK2・K4両被疑者を引き続き追及した。
同日、福岡県警は被疑者K4が普段から使用していた乗用車を押収した。この乗用車は6人乗りワゴンタイプで、K4に加えK4宅に出入りしていた建設作業員らが使用していた。K4は母K2の逮捕前後、この乗用車を大牟田市内の自動車修理工場に自ら乗り付けて持ち込み「廃車にしてほしい」と依頼した。しかし修理工場側によれば年式こそ古かったものの目立った傷はなく廃車にする必要性は感じられなかったという。福岡県警は事件発覚後K4の乗用車がなくなっていたことを重視した。その後、聞き込みなどの結果、修理工場に持ち込まれたことを確認し26日朝に押収した。
2004年9月27日までの福岡県警の捜査の結果、Cが殺害された翌日の2004年9月19日午後、体格・容姿が被疑者K4に酷似した男が、K4の父親で大牟田署で拳銃自殺を図ったK1とともに遺体遺棄現場の諏訪川周辺を歩いていた姿が、近隣住民に目撃されていたことが判明した。K1の知人の証言によればK4に似た男とK1は、馬沖橋から川面を見つめながらゆっくり歩いていた。これに加え2人が土手を下り川辺に近づいていたという目撃情報も寄せられた。このことから福岡県警は犯行後、遺体が浮上していないか確認するため、現場に戻った可能性があると見た。その上でこの男がK4だった可能性があるとして引き続きK2・K4両被疑者を追及した。2004年9月28日
2004年9月28日、福岡県警の捜査の結果、それまで4人の殺害自体は認めつつも具体的な手口は供述しなかった被疑者K2が、共犯関係の追及を受けていた中で「息子K4が被害者を銃撃した」ことを認める供述をした。司法解剖の結果B・D両名の遺体は、胸などをそれぞれ拳銃で3発ずつ撃たれていた。摘出した銃弾を調べた結果25口径の拳銃から発射されたものと判明した。福岡県警はB・D両名がそれぞれ3発ずつ計6発撃たれたことに注目し「2人がほぼ同時に同じ拳銃で撃たれた可能性が高い」と推測した。また父K1が大牟田署内で自殺を図った際も同じ25口径の拳銃が使用されていたことから、その拳銃が犯行に使用されたとみて発砲の経緯・犯行の動機などを引き続き追及した。その拳銃はベルギー・FNハースタル社製の25口径自動式拳銃「FN ブローニング・ベビー」で、弾倉に銃弾6発が装填できるものだった。福岡県警などによれば「ブローニング・ベビー」は暴力団関係者の間で30万円から40万円の相場で取引されていたが、あまり出回っていなかった。
これに加え逮捕された次男K4は、被害者Aが周囲の知人らに貸していた金について取り立てを代行して行っていたことが福岡県警の捜査で判明した。被害者Aは事件の10年以上前から知人に利子を付けて金を貸していた。利子は通常より高い利率で、借金額が膨らんで借り手に返済の見通しが立たなくなったり返済期限が守られなかったりした場合は、K4ら若者グループが借り手の家に出向き返済を要求するなどしていた。回収に成功した場合、AはK2らに対し一定の手数料を支払っていた。近隣住民である女性は『読売新聞』の取材に対し「知人がAさんとのトラブルを解決しようと飲食店に呼び出したところ、K2や、K4ら若者グループが来て大声で怒鳴られた。結びつきの強さに驚いた」と語った。またAはK2について「姉御肌で気前のいい人。仕事上も付き合いがある」と周囲に話していた。このことから、K2がK4に対しAへの協力を指示したとみられた。
一方福岡県警は「被疑者K2と被害者Aとの間の金銭トラブルが事件の発端となった」とする動機を強めたが、一家を殺害するほどの動機になるのか疑問視する声もあった。被害者Aの一家が全員死亡していたため、福岡県警は関係者の供述・証拠を手掛かりに捜査を進めることとなった。K2は逮捕された当初「4人を拳銃で撃った」と説明したが、司法解剖の結果A・C両被害者の遺体には銃撃痕は見られなかった。また殺害の順番・場所の説明も二転三転するものだったため、福岡県警は「K2が何か重大なことを隠している」との見方で追及を続けた。またK4は容疑を否認していたため、両被疑者を含めた被疑者一家の交友関係を幅広く捜査し事実解明を進めた。またB・C兄弟らとK4の間には「女友達を巡ったトラブルがあった」という情報が寄せられていた。そのためこれがエスカレートし両家全体を巻き込んだ事件に発展したとの見方も含め捜査を進めた。
被疑者K4は一連の事件への関与を否定していたが、2004年9月29日までに「全部俺がやったことだ」などと4人の殺害に関与したことを認める供述をした。被疑者K2も、それまでの「自分が4人を殺害した」という供述から一転「息子K4が銃で撃った」と供述した。このことから福岡県警は殺害・遺体運搬など、役割分担や動機の解明を急いだ。一方K4は投げやりな態度で取り調べに応じていた上、母K2との供述が一致しないことも多かったため、福岡県警は供述の真偽について慎重に裏付け捜査を進めた。
福岡県警が同日までに被疑者K2・K4らの自宅（大牟田市桜町）などを捜索した際、指輪など数点の貴金属が発見された。そのうち一部の形状・種類などは被害者Aが生前、身に着けていたものと酷似していた。またK2宅には現金・借用証書を収めた小型金庫もあったが、事件後A宅の状況を福岡県警が確認した際、金庫がなくなっていたことも判明していた。このことから福岡県警は貴金属を入手した経緯についてK2から事情を聴いた。
福岡県警は2004年10月2日、弟K4と共謀し被害者Aの次男Cの遺体を橋の上から投げ込んだ共犯者として、K4の兄で母K2と元夫との間の子どもである長男K3を、死体遺棄容疑の被疑者として逮捕した。同年6月頃から大牟田市内のアパートで生活していたK3は事件後「弟K4の弁護士が見つからない」と漏らし弁護士を探していた。また逮捕の約1週間前、被害者の告別式に参列するためか喪服姿で外出する姿が目撃されていた。
同日までの取り調べの結果、K3・K4兄弟の母K2は事件直前、被害者Aの依頼で取り立てた貸金の回収金を着服しAとトラブルになっていたことが判明した。Aの依頼の下、借金の取り立てを行っていたK1一家は、回収に成功した場合一定額の手数料を受け取っていた。しかしK2らは手数料に満足せず、複数の借り手から回収した数万円から十数万円の金を着服していた。これを知ったAは同年9月上旬K2らに抗議したが、K2らと口論になっていた。
2004年10月3日、福岡県警の捜査の結果、車ごと川に沈められたA・B・Dの3人の遺体遺棄について、大牟田署で拳銃自殺を図り市内の病院に入院していた父親K1が関与していたことが判明した。一連の事件でK1の関与が判明したのは初めてだった。これにより、一連の事件は既に逮捕された妻K2と息子のK3・K4兄弟に加え、K1を含めた一家4人による犯行だったことが判明した。そのため福岡県警はK1の回復を待ち、死体遺棄容疑で逮捕する方針を固めた。また2つの遺棄事件（C事件、A・B・D事件）はそれぞれ遺棄現場・犯行日がほぼ同一だったことから、福岡県警はこの時点ではK1・K3に対し未立件だったC事件についても、2人が関与したとみて事情聴取した。
福岡県警は同日、殺害など一連の犯行に使われた可能性があるとしてK3・K4両被疑者が出入りしていた大牟田市本町4丁目のJR大牟田駅付近の住宅密集地に所在し、被害者A宅から約600m離れた木造アパートを実況見分した。アパートは2階建てで1階は車庫になっており居室が2階に4部屋ある構造だった。特にK3・K4両被疑者の関係者の居室と見られた2階の一室が重点的に検証された。周辺住民によれば、この部屋には2002年（平成14年）頃から暴力団関係者とみられる男が入居していた。また若い男らが頻繁にアパートに出入りしており、深夜にバイクを吹かしたり大声で携帯電話を使って通話することがあった。。周辺では携帯電話で「金を返せ」と怒鳴る声がしていたという車庫には普段、高級車が数台駐車してあった。
2004年10月4日、福岡県警の捜査の結果Cの死体遺棄容疑で逮捕されていた被疑者K2は「Aとトラブルになっていた。自分のせいで息子たちを巻き込み迷惑をかけた」と供述したことが判明した。福岡県警は前述したようにK2がAとの間に金銭トラブルを抱えていたことを把握しており、これが両家を巻き込んだ事件に発展したとの見方を強めていた。しかし供述した「トラブル」の具体的な内容・被害者4人の殺害状況について、K2はこの時点でもあいまいな供述を繰り返していた。そのため福岡県警はC事件の共犯として逮捕された次男K4、A・B・Dの死体遺棄事件で逮捕されていた長男K3をそれぞれ庇っている可能性が強いとみて引き続き追及した。
2004年10月4日午前0時すぎ、被疑者K4が拘置されていた福岡県警筑紫野警察署にて、留置場の看守席で監視していた署員がうめき声を聞いた。確認したところ、拘置中の被疑者K4が丸めたトイレットペーパーを喉に詰めた状態で布団の上でぐったりしていた。これを発見した署員は、速やかにK4の喉からトイレットペーパーを取り出した上で救急車を呼び、付近の病院に搬送させた。発見が早かったためK4の生命に別条はなく、K4自身も診察を拒否した上、医師も「診察の必要はない」と判断した。この自殺未遂事件は、約1か月後の2004年11月26日になって、『読売新聞』夕刊などで報道された。
2004年10月7日、福岡県警はA・B・Dの3人の遺体を車ごと川に沈めたとして、一家の主である暴力団幹部K1を死体遺棄容疑の被疑者として逮捕した。それまでK1は前述のように大牟田署内で拳銃自殺を図り頭部に重傷を負っており、大牟田市内の病院で治療中だった。しかしこの日、医師が「逮捕後の拘置に耐えきれる」と判断したため捜査本部が逮捕に踏み切った。この拳銃自殺を図った際に使用した銃もB・D両名の遺体から検出された銃弾もそれぞれ25口径拳銃（及びその弾）だったため、捜査本部は「K1が自殺未遂に使用した銃がB・D両名の殺害に使用された」とみて裏付け捜査を進めた。取り調べに対し被疑者K1は「全部俺がやった」と供述した。しかしそれまでの調べに対し、次男K4も「全部俺がやったことだ」、妻K2も「自分のせいで子供を巻き込んだ。息子が銃で撃った」などとそれぞれ矛盾する供述をしていたため、福岡県警は慎重に裏付け捜査を進めた。署内で拳銃自殺を図った動機について、福岡県警はK1が深く事件に関与しており、自殺を図ることで捜査を攪乱する意図があったとみてさらに追及した。福岡県警は一連の事件はK1一家4人全員が関与したものと断定した上で、Aらを殺害した人物、殺害の動機・方法などの特定を進めた。
福岡県警は同日、C事件の死体遺棄容疑で逮捕されていた母K2・次男K4をそれぞれA・B・Dの3人に対する死体遺棄容疑で再逮捕した。
2004年10月8日までの取り調べで、A一家ら4人の死体遺棄容疑で逮捕されていた被疑者K2が、Aの次男Cを殺害し遺体の遺棄にも関与した容疑について「まったく知らない。Cが殺されたことはあとで知った」と供述していることが判明した。一方A・B・Dの計3人の遺体を遺棄した容疑は認めた。そのため福岡県警の捜査本部は、夫K1や息子K3・K4兄弟との役割分担を追及するとともに裏付け捜査を進めた。
2004年10月13日までの取り調べの結果、A・B・Dの3人の遺体を遺棄した死体遺棄容疑で逮捕された被疑者K3が、それまでの全面否認から一転して容疑を認める供述を始めた。これにより一家4人全員が容疑を認めたこととなった。一方K1・K4両被疑者は「全て自分がやった」と供述していたが、それぞれ矛盾することから福岡県警捜査本部は供述の裏付けを急いだ。一方捜査本部が、B・D両名に向けて発砲された拳銃とK1が大牟田署で自殺を図った拳銃について銃弾の線条痕を鑑定した結果、線条痕が一致したため同一の拳銃によるものであったことが判明した。
同日までの取り調べの結果、被疑者K2は「夫K1や息子がAら3人を殺すのを止めようとしたがどうしようもなかった」と供述した。一連の事件で被疑者が殺害の実行役に関して具体的な供述をしたのはこれが初めてだった。。福岡県警捜査本部はこの新供述について「息子」とはK3・K4のどちらを指すのかの特定や殺害方法などの追及を進めた。
2004年10月15日、Aら3人の死体遺棄容疑で逮捕された被疑者K2が「9月17日か18日、出入りしていた大牟田市本町のアパートで夫K1、息子K3・K4とともに被害者Aと会った。Aと口論になり、K1ら3人がAを殺そうとしたため自分が止めた。その後全員で市内の港に移動した後（息子らが）Aを殺害した」と供述した。その一方で、自ら殺害行為に加担したことは否定した上で、ともに遺体で発見されたB・D両名については「いつ、どこで殺されたかは知らない」と供述した。捜査本部はK2とAの間にあった金銭トラブルが犯行の主な動機と見た上で、夫K1や息子K3・K4の3被疑者がAを殺害したとみて殺害方法・場所の特定を急いだ。
福岡県警捜査本部は2004年10月14日、被疑者K3立ち合いの下、大牟田港岸壁などで現場検証を行った。翌10月19日には被疑者K3を立ち会わせ、同様の場所で現場検証を行った。
2004年10月22日、福岡地検久留米支部はA・B・Dの3人に対する死体遺棄罪で拘置期限が切れるK2・K3・K4の3被疑者を、福岡地方裁判所久留米支部に起訴した。被疑者K1は拳銃自殺を図って入院し逮捕が遅れたため、2004年10月28日が拘置期限となっていたためこの日は起訴されなかった。被疑者4人とも取り調べに対し、この3人に対する死体遺棄罪について大筋で認めた。
同日、福岡県警捜査本部による捜査の結果、諏訪川に沈められた車から遺体で見つかったA・B・Dの被害者3人について大まかな殺害方法・場所が判明した。そのうちAは、前述のように9月17日、大牟田市本町のアパートでK1一家4人と口論になりK1らが殺害しようとした。妻K2が諫めたことでその場はおさまったが、ワゴン車にAを載せ全員で大牟田市西新町の大牟田港岸壁に移動した。その際、次男K4がひも状のもので首を絞めて絞殺した可能性が高いことが判明した。一方でB・D両名は9月16日か17日頃、Bの母Aの軽乗用車で行方不明になっていたBの弟Cを捜索していたところ、K4らに呼び止められた。K4らはその後、Aの殺害現場から約1km離れた大牟田港付近の埋め立て地まで連れて行き、軽乗用車内にて拳銃で射殺した疑いが強いことが判明した。その後4人はAの遺体を軽乗用車の荷台に乗せ、9月18日午前3時半ごろ大牟田市沖田町の諏訪川に車ごと沈めた。このように殺害方法・場所の特定が進んだことから福岡県警捜査本部は、Aら3人の死体遺棄容疑で逮捕されたK1ら一家4人を、翌週中にも殺人容疑で再逮捕する方針を固めた。
2004年10月26日、福岡県警捜査本部は「K1ら一家4人が金銭トラブルの末、金目当てで被害者Aを睡眠薬を飲ませた上で殺害し現金などが入ったバッグを奪った」と断定し、被疑者一家4人をいずれも強盗殺人容疑で再逮捕した。捜査本部は被疑者4人が、Bら残る3人についても殺害に関与したとみて引き続き役割分担を追及した。
福岡地検久留米支部は同日、入院で逮捕が遅れていた被疑者K1を死体遺棄罪で追起訴した。
2004年10月29日までに死体遺棄罪で起訴された被告人K2は「被害者Aを殺害後、夫K1が息子に『Aの子どもを拉致してこい』と指示した」と供述した。福岡県警捜査本部は夫K1が事件の発覚を恐れ、息子K3・K4両被告人に対しB・D両名の拉致・殺害を指示したとみてさらに追及した。またAら3人より先に殺害されたAの次男Cについても、殺害の経緯・役割分担について一家4人を引き続き追及した。
2004年11月11日、福岡県警捜査本部はAの殺害現場となった大牟田港付近の大牟田川を捜索した。その結果、川底から殺害の凶器に用いられたとみられる自転車のワイヤー錠のようなものが発見され、押収された。捜査本部は、強盗殺人容疑で逮捕された被疑者K4が港付近の岸壁に駐車した車内でAを絞殺した後、凶器のワイヤー錠を海に投げ捨てたとみて引き続き追及した。
2004年11月13日午前9時30分頃、被疑者・被告人K3は拘置されていた福岡県久留米警察署から福岡地検久留米支部（久留米市篠山町）に移送された。この時、護送車を運転していたのは大牟田署刑事課巡査長（当時27歳）で、大牟田署警備課巡査部長（当時49歳）大牟田署警備課巡査長（同25歳）がそれぞれK3に付き添っていたが、3人はいずれも留置管理担当者ではなかった。その後K3は同所で検察官による取り調べを受けていた。元力士で大柄なK3の逮捕後は、機動隊員2人を大牟田署に派遣し護送などの応援に当たらせていた。K3は福岡県警から「特別要注意者」に指定され留置場では機動隊員も監視に加わることになっていたが、護送業務は通常体制だった。またK3は機動隊員の同行を嫌がり反抗することが多かったため、護送を担当した3人はこの日、同行を断っていた。午後5時過ぎ、K3と大牟田署員3人の計4人は夕食を摂るため被疑者の待機・休憩に使われる検察庁舎3階の「同行室」に移動した。この時、同行室の鍵を開けたのは地検支部の事務官だった。事務官から鍵を手渡されなかったことなどから3人は「扉は施錠しないでおくものだ」と思い込み、誰も鍵を取りにいかなかった。地検支部は当時建て替え中で仮庁舎に移転していたが、旧庁舎の同行室の扉は施錠できない構造だった。K3は両手から手錠を外され正面奥に座り、その左隣に巡査部長、扉の左右に巡査長2人がそれぞれ椅子に座った。この時、巡査長の1人が室外に右足を出した状態だったがK3の腰縄は誰も持っておらず、床に放置していた。午後5時40分頃、K3は大牟田署員3人の付き添いの下、同行室にて夕食の弁当を食べていた。弁当を食べ始めた当初は署員1人が室外にいたが、K3から「一緒に食べよう」と誘われ全員が室内に入ってしまった。弁当を食べ始めてから約10分後、署員より早く弁当を食べ終えたK3は室内をうろつき始め「部屋が暑い。エアコンを調整したい」と言った。そしてまだ食事中の巡査長2人の間をすり抜け、いったんオートロックの扉の外に出た。エアコンのリモコンは隣の事務室にあったため、大牟田署員1人がK3に付き添い隣室に向かった。エアコンのリモコンを取り扉近くに戻ったところ、K3が「（操作は）1人でできる」と言ったため、警察官が先に隣室を出て同行室に戻った。K3は脚を出していた巡査長に対し「眼鏡を貸してくれ」と言った。巡査長が眼鏡を差し出すと、K3は眼鏡をかけるふりをして同行室内に投げ入れ、巡査長が足をひっこめた瞬間、同行室のオートロックの鉄格子扉を閉め3人を閉じ込めた。福岡県警の被留置者管理規定によれば、食事をする間を含め同行室に被留置者を入れた際は警察官は自動的に施錠される同行室の扉を閉め、隣の小部屋で待機し外から監視を続けることとなっていた。しかし警察官は鍵を持たず3人とも同行室に入った上、扉を完全に閉めていなかった。その上、同行室から退出することなくK3と一緒に食事を摂るという「内規違反に油断が重なる」事態が逃走につながった。警察官は室内から解錠する鍵を持っていなかったためドア越しに説得したが、K3は腰縄を外しながら「担当者さん、悪い」「俺は（強盗殺人などを）やっていない。死刑になるかもしれないから逃げる」「3日経ったら戻ってくる」と言い残し、階段を降り履いていたスリッパを1階に残したまま裸足で検察庁舎から逃走した。これを受け、警察官は携帯電話で110番通報しK3が逃走したことを知らせた。K3は脱走から約15分後の午後5時55分、地検支部から南へ約800mの久留米市本町の福岡県道23号久留米柳川線で待機中のタクシーに客を装って乗り込んだ。そしてタクシー運転手に対し「3日ほど暴力団に監禁されていて脱走してきた。金は知人に持ってこさせるから柳川市方面に行ってくれ」と指示した。このタクシー運転手は裸足だったK3の「ヤクザから逃げてきた」という言葉を信じ込み、「組から逃げてきたな」と思っただけで特に不審には思わなかったという。運転手は普段車中でラジオを流していたが、後述のようにK3に自分の携帯電話を貸し通話させていたため音量を小さくしていた。そのため運転していたタクシーが後述のように警察官に取り囲まれるまで、客だと思って乗車させたK3の正体にまったく気づかなかったという。また、タクシー運転手によればこの時のK3は「タクシー料金のみならず、途中に立ち寄ったコンビニエンスストアで運転手が購入したペットボトルのお茶代なども含めきちんと料金を払おうとしており、普通の客より丁寧な口ぶりだった」という。柳川市の沖端川河口付近に到着後、K3は運転手に対し「熊本県玉名郡南関町経由で大牟田市に向かってくれ」と指示した上で「（大牟田市内の）幹線道路は見張りがいるから行けない。裏道を知らないか」と尋ねた。その後K3は運転手の携帯電話を借り、知人と数十回にわたり「金を貸してくれ」「もうすぐ着く」などと連絡を取り、タクシー料金として現金を届けるように要請していた。逃走から約3時間後の午後8時50分ごろ、地検支部から南に約35km離れた熊本県荒尾市上井手の駐車場に到着した際、タクシー料金が20400円に達していた。そのような中、K3はタクシーからいったん下車し、車外で電話をかけた。しかしK3が車内に戻ったところ数人の捜査員がタクシーを取り囲んだ。K3は当初後部座席でドアを開けさせまいと抵抗したが、観念した様子で車外に出て警察に取り押さえられた。福岡県警が通話記録などを調べた結果、携帯電話でK3とやり取りしていた相手は、父K1の配下の暴力団組員だった。
K3の義父K1が、大牟田署内で拳銃自殺を図った衝撃が冷めやらぬうちに、凶悪犯罪の被告人が、週末の夜の街に逃亡したこの事件は、福岡県警の相次ぐ不手際を露呈する形となった。またこの3時間にわたる逃走劇は、現場の大牟田市・地検支部がある久留米市を中心に、地域住民に大きな不安・衝撃を与えた。「大牟田市内で現場検証に立ち会うK3の姿を見た」という近隣住民は「現場検証で見たときは、K3は大男だったのに付き添う捜査員の数が少なかった。逃げ出してもおかしくないと思ったが現実になってしまった」と語った。また確保現場となった荒尾市上井手の近隣住民は「熊本県重要文化財の眼鏡橋付近の駐車場近くでパトカーなど数台の車両が止まり、タクシーを4，5人で取り囲んでいたのを目撃した。後でテレビのニュースを見て、そこでK3の身柄が確保されたことを知った。逃走のニュースが流れた直後『ここに逃げてくるかも』と家族と冗談を言い合っていたが、まさか本当になるとは」と驚いていた。地検支部付近の私立保育園（園児120人）の園長は「警察官がそばにいたのに、なぜ逃走できたのか」と疑問の声を口にした。
2004年11月16日、福岡県警捜査本部は被害者B・D両名を大牟田港岸壁に停車した軽乗用車後部座席で拳銃で射殺したとして、いずれも死体遺棄罪で起訴された被告人4人を、殺人容疑で再逮捕した。被疑者・被告人K2は残るCの殺害について「息子K4から『人を殺してしまった』と打ち明けられ初めて知った。4人の中で最初に殺害された」と供述した。捜査本部は一連の犯行の動機をAの財産目当てであると目星をつけていたが「Aの財産目当ての犯行だとして、なぜCが最初に殺害されたのか」などの疑問点を抱えていた。そのため「次男Cの殺害が発端となり、かねてからトラブルとなっていたAを金を奪う目的で殺害した。その口封じのため長男Bの殺害に発展したところ、Bと同行していたDも巻き添えになった」とみて全容解明を急いだ。
福岡地検久留米支部は同日K1・K2・K3・K4の被告人4人を、被害者Aに対する強盗殺人罪で福岡地裁久留米支部に追起訴した。
2004年11月25日までの福岡県警捜査本部の捜査の結果、一連の事件の発端は被告人K3・K4兄弟が金を奪う目的でA宅に侵入したことである可能性が高いことが判明した。その経緯は「父K1・母K2がA宅の多額の現金を狙っていたことを知ったK3・K4は、両親を出し抜こうとA宅に侵入したが、この時、当時1人で留守番をしていたAの次男Cに気付かれたためタオルのようなもので首を絞めた。その後、気絶したCを車に乗せA宅を出たが、途中でCが息を吹き返したため車内で再度首を絞めて殺害した」というものだった。それまでの取り調べで、両被告人の母K2はC殺害について「K4から『人を殺した』と打ち明けられて初めて知った」と息子2人の関与をほのめかした。これを受け捜査本部は、強盗殺人容疑での再逮捕を視野に追及を進めた。
2004年11月26日、K3が福岡地検久留米支部の仮庁舎から逃走した際の詳細な経緯が判明した。この時「護送した大牟田署員3人はK3とともに同行室に入った際、誰も室外で待機していなかった」「オートロック式の鉄格子が閉まらないよう、1人が右足を室外に出していた」「食事の際、腰縄を床に放置していた」「K3が室内を自由に歩き回っていた」など様々な不手際が明らかになった。
2004年12月17日、福岡地検久留米支部は大牟田警察署の取調室で拳銃自殺を図った被告人K1を「2004年9月22日午前10時15分頃同署の取調室にて拳銃1丁・実弾8発を所持した」として、銃砲刀剣類所持等取締法違反の罪（加重所持）で福岡地検久留米支部に追起訴した。
2004年12月27日、福岡地検久留米支部は被告人K3・K4兄弟を「2004年9月16日夜、被害者Cの首を絞めて失神させ指輪など貴金属61点（約400万円相当）が入った金庫を奪った上、Cの首を再び絞め、Cを諏訪川に投げ込んで殺害した」として強盗殺人罪で福岡地検久留米支部に追起訴した。両被告人はCに対する死体遺棄罪でも逮捕されていたが、福岡地検久留米支部は「Cが死亡する前に川に遺棄しCが溺死した可能性も否定できない」として死体遺棄罪での起訴は見送り強盗殺人罪でのみ起訴した。また同じく死体遺棄容疑で逮捕された母K2は「関与が認められない」として不起訴処分とした。
2005年（平成17年）1月4日、大牟田警察署は被告人K3を「2004年11月13日午後5時40分頃、大牟田署員3人の隙をついて取り調べ中の福岡地検久留米支部から脱走した」として単純逃走罪で福岡地検久留米支部に書類送検した。これにより福岡県警は一連の事件捜査を終結させた。
2005年1月11日、福岡地検久留米支部は被告人K3を前述の書類送検容疑である単純逃走罪で福岡地裁久留米支部に追起訴した。
弁護人については当初4被告人ともに、それぞれ国選弁護人・私選弁護人が選任されたが、次男K4の弁護人が産休のために辞退した。これに加え妻K2の私選弁護人も「やりたくない」と辞退したほか夫K1の弁護人も担当できなくなった。その結果、長男K3以外3被告人についてはいずれも弁護人が担当できない状態となった。部会所属の弁護士曰く、引き受け手が見つからなかった理由は「福岡拘置所が建て替え予定で遠隔地になることや、調書が膨大で手間がかかるため引き受け手が見つからなかったことだ」という。そのため3被告人について地元の福岡県弁護士会筑後部会（部会長：高橋謙一）が部会の国選弁護人名簿に基づき依頼して回ったが、いずれにも断られてしまった。そのため高橋は苦肉の策として「公平を期する方法」と、新たに弁護人3人（被告人1人につき1人）をあみだくじで新たに選出した。高橋は『朝日新聞』の取材に対し「これが初めてではなく10年ほど前にも1度（あみだくじでの選出を）やったことがある」と話した。あみだくじによる選出は2004年12月2日、部会事務局で実施し「当たった」3人がそのまま国選弁護人に選任された。2004年12月11日あみだくじによる弁護人選出が判明し『読売新聞』・『朝日新聞』・『東京新聞』などで報道された。部会関係者は「被告人に最適な弁護人を決めるという意味ではまずいやり方だったかもしれない」と高橋は「部会としてのコメントはできない」とそれぞれ語った。日本弁護士連合会（日弁連）刑事弁護センター委員長・佐藤太勝は「聞いたこともない選び方で適切な方法とは思えない。重大事件用の名簿がないなら刑事弁護の経験が豊富な人を協議で選ぶのが妥当ではないか」と話した。部会は当時、従来の国選弁護人名簿とは別に重大事件用も名簿を作成中だったが、その名簿に登録予定だった中堅以上の弁護士を中心とした十数人があみだくじの対象になっていた。高橋は「準備中の名簿の並ぶ順もくじで決めるつもりで、それを前倒ししただけだ」と説明した。
福岡地方裁判所久留米支部は被告人K1・K2・K3・K4の計4人について、2005年（平成17年）1月23日までに、初公判日時を2005年3月15日午後2時に指定した。
2005年4月12日、第2回公判が開かれた。この後半以降、起訴事実をすべて認めたK2・K4両被告人と単独犯を主張したK1・逃走以外の罪を全面否認したK3の両被告人は、それぞれ分離公判で審理されることとなった。検察側は被害者Aらの殺害に使われたとされる凶器などを証拠提出した上で、極刑を望む被害者遺族の供述調書を朗読した。また検察側の証人申請に基づき、K1・K3両被告人の次回公判（2005年4月26日）で被告人K2が、K2・K4両被告人の次回公判（2005年5月17日）で被告人K3が、それぞれ証人出廷し、証人尋問が行われることが決定した。
2005年5月17日、福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）にて、K2・K4両被告人について分離後初となる公判が開かれた。同日、公判が分離された被告人K3が検察側の証人として出廷し証人尋問が行われる予定だった。しかし後述のように当時K3は体調を崩し入院していたため、同日の公判を欠席した。検察側は当時のK3の様態について「最低でも1週間から10日間の入院が必要だ」と述べた。
2005年6月21日の公判で被告人K3が検察側証人として出廷した。K3は被害者4人の殺害についてはいずれも「やっていない」として、全面的に起訴事実を否認した。その一方で唯一起訴事実を認めた福岡地検久留米支部からの逃走事件について「逃走前夜留置されていた福岡県警久留米署で自殺を図ったが、死にきれなかったため死のうと思って逃げた」と証言した。またK3は「親父（被告人K1）の近くで死のうと思い大牟田に向かった」、「裁判所宛に『全部1人でやった』と遺書を書けば弟K4が助かると思った」と述べた。閉廷後、起訴事実を認めていた弟K4がK3に対し「あんたの意見に同意してやる。生きられるか試してみろ」と言い放った。これに対しK3は「何言ってるんだ貴様」と激怒しK4に殴り掛かろうとした。K3は刑務官たちに数人がかりで抑えられ廊下に連れ出されたが、その後も怒鳴り声を上げていた。
2005年10月11日の公判で、被告人K3が再び検察側証人として出廷した。公判で被告人K4の弁護人はB・D両被害者の殺害について「K3も銃を何発か撃ったのではないかと思う」とする被告人K2の供述調書を読み上げた。その上で弁護人はK3に対し「親に疑われてどう思うか」と尋ねたが、これに対し証言台にいたK3は「（K2のことは）実の親とも、身内とも思っていない」と答えた。すると左後方の被告人席に座っていた弟K4が「アホか殺すぞ」などと叫び、兄K3に殴り掛かろうとした。これに対しK3も「俺がやれるか」と応え、刑務官に取り押さえられ退廷させられた。この騒動により高原正良裁判長が休廷を宣言し、公判は約15分間中断した。約15分後、審議を再開する際K4は、高原裁判長から「いいたいことがあると思うが辛抱して聞いてください」となだめられ謝罪した。K3・K4両被告人が法廷内でトラブルを起こしたのは、前述の2005年6月21日以来2回目だった。
2005年11月15日の公判で被告人質問が行われた。被告人K2は被害者Aを殺害した経緯について「犯行当時約6000万円に上る借金を抱えており生活が苦しかった」と説明した。その上で「長い間、夫婦2人で計画を練っていたわけでも親子4人で計画したわけでもない。その時だけ何かにとりつかれたように、『Aを殺害して金銭を奪おう』という話になった」と話した。
2006年（平成18年）3月14日第22回公判が開かれ、検察側の被告人質問が行われた。この日は被害者Aの母親ら被害者遺族も公判を傍聴していた。被告人質問の最後で被告人K4は、被害者遺族のいた傍聴席に歩み寄り「すいませんでした」と一礼した。またこの時、被告人席に座っていた被告人K2も立ち上がり、Aの母親に対し「ばあちゃん、ごめんなさい」と頭を下げた。これに対しAの母親は「どうしてあんなことをしたのか」と問いかけたが、高原正良裁判長から発言を制止された。閉廷後Aの母親は『朝日新聞』・『毎日新聞』の取材に対し「すいませんという気持ちは分かるがいくら謝っても殺された娘たちは帰ってこない。被告人たちを同じようにしてほしい」と語り、両被告人の死刑を望む意思を示した。
2006年3月28日第23回公判が開かれ、被害者遺族3人（Aの母親、Aの妹、Dの母親）が意見陳述し、いずれもK2・K4両被告人の極刑を求めた。Aの母親の意見は高原裁判長が代読した。その中でAの母親は「なぜ娘Aと孫2人（B・C）が殺されなければならなかった」「K2が息子2人（K3・K4）を殺人鬼に育て上げた。同じ苦痛を受けさせてやりたい」と語った。この公判で初めて傍聴したDの母親は、息子の遺影を持ち陳述に臨んだ。Dの母親は「息子Dが死んだことが今でも信じられない。いつか帰って来ると思っているが、現実はそうではない」「どうして何も非がない息子が惨殺されなければならなかったのか。死刑判決を求めます」と述べた。Aの妹は「姉AはK2を信用していたから、K2が導くままについていった」と述べた。陳述後、弁護人による被告人質問が行われた。しかし被告人K4は前回公判で謝罪したAの母親に対し「ふざけんな。親を悪く言うな」と恫喝した。これに対し高原裁判長は「落ち着きなさい」と諭し、被告人K2が、K4を制止した。公判後Aの母親は『毎日新聞』の取材に対し「K4は口で謝るだけで全く反省がない。絶対に許せない」と語った。
2006年5月2日、福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）で母親K2・次男K4の両被告人に対し第24回公判となる論告求刑公判が開かれた。検察側は両被告人に対し、いずれも死刑を求刑した。論告で検察側は「K1・K2両被告人が生活資金の工面に困ったため、被害者Aに対し嘘の土地購入話を持ち掛け、多額の現金を用意させた上で殺害しようと計画した」と指摘した。その上で被告人K2を「一連の犯行の動機面で中心的な存在だ」と結論付けた。また4人殺害を実行した被告人K4が被告人質問で「（親に殺害行為を実行させず、自分が殺害したことは）自分の考えるヤクザ論としては、自分は名誉と思う」と答えたことなどを挙げ「その歪んだ観念・発想から抜け出す可能性は見い出せない」と述べた。そして犯行を「史上稀に見る凶悪な事件」とした上で、両被告人について「もはや矯正は不可能で、極刑をもって臨むほかない」と断じた。閉廷後、被害者Aの母・妹はそれぞれ「（被告人らに）反省の念が見られず、残念だ」「（姉・甥2人の）3人がどれだけ恐怖を味わって死んだか。死刑以上の刑があればいい」と、それぞれ語った。
2006年6月13日福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）にて第25回公判が行われ、結審した。最終弁論で両被告人の弁護人は、それぞれ「被告人なりに反省・悔悟の情を示している」と主張し死刑回避を求めた。被告人K2の弁護人は「事件を主導的に企画・立案したのは夫K1でK2の関与は従属的だった」と述べた上で「K2は事件の内容を真摯に語っていることから再犯の可能性はない」と主張した。被告人K4の弁護人は「K4は事件当時精神的に未熟だった。矯正の可能性がないと決めつけるべきではない」と訴えた。最終意見陳述で被告人K2は「重ねてお詫びすること以外、何もない」と、被告人K4は「本当に申し訳ない。判決は素直に受け入れたい」と、それぞれ語った。
2006年10月17日判決公判が開かれ、福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）は母親K2・次男K4の両被告人に対し、検察側の求刑通りそれぞれ死刑判決を言い渡した。福岡地裁久留米支部は判決理由で一連の犯罪事実・被告人4人の共謀について、すべて検察側の主張通りに事実認定した。また一連の殺害動機について「K2が、生活難・資金難を打開し、被害者Aが所持していた多額の現金を奪おうとしたものだ」と指摘した。その上でCを除く3人の殺害に関与した被告人K2を「動機面での中心的存在であり、『関与は従属的だ』として量刑の軽減を求める弁護人側の主張は認められない」とした。そして、殺害された4人について「痛ましいことこの上なく、誠に哀れで悲惨だ」と追悼した上で、4人殺害を実行した被告人K4に対しては「Aを殺害する際、たばこを吸ったり遺体の上に寝そべるなどしたことなどから、人間の生命の尊厳を軽視する態度が著しく矯正は困難だ」と断じた。そして被告人K4は公判中「親に人殺しをさせるくらいなら自分が殺した方がマシだ。後悔していない」「また同じ状況になれば人を殺す」などと発言したり、被害者遺族に暴言を吐くなどしていたが、これらの態度に対しては「暴力団組長の父親の下で人命を軽視し両親の支持であれば殺人も厭わないなど、暴力団特有の反社会的な美意識を強く持っており矯正は困難だ」と認定した。判決言い渡し後、被告人K2は、傍聴席にいた被害者Cの遺族と被害者A一家の遺族にそれぞれ深々と頭を下げ、謝罪の言葉を述べた。その一方で被告人K4が法廷に残した最後の言葉は「なるようにしかならんやろ」というものだった。
被害者Aの妹は「2人が死刑になっても、姉や甥は帰ってこない。殺され方を思うと死刑より重い刑罰があればいいと思う」と死刑判決を聞いてもなお、やり場のない無念さを口にした。また同じく判決公判を傍聴したAの母親は「死刑判決は当然だが一度に娘と孫2人の命を奪った被告人たちからは、心からの反省を最後まで受け取れなかったことが許せない」と語った。福岡地検久留米支部の支部長・内藤惣一郎は判決を受け「適正な判決と考える。改めて被害者の方々のご冥福をお祈りします」と述べた。一方で被告人K4の弁護人・永尾広久弁護士は閉廷後「判決には不満が残る。世界的な死刑廃止の潮流に逆行するものと言わざるを得ない。更に上級審の判断を求めるよう、被告人には控訴するよう勧める」とコメントした。また被告人K2の弁護人・北村哲弁護士も「弁護人として控訴を検討したい」と述べた。
被告人K4は死刑判決を受けた2006年10月17日付で、判決を不服として福岡高等裁判所に控訴した。被告人K2も2006年10月26日付で福岡高裁に控訴した。
2005年4月26日、K1・K3両被告人について第3回公判が開かれた。同日、分離公判となった被告人K2が検察側の証人として出廷した。K2は、K1が単独犯を主張しK3が全面否認していた被害者Aの殺害について、両被告人との共謀を認める証言をした。その上でK2は「A殺害は当初K1とともに計画したが、自分が実行を躊躇っていたところK3が『自分が殺してもいい』と持ち掛けた」「長男Cの殺害は次男K4を含め4人全員で決めた」と、4被告人による共謀の状況を検察側の主張通りの形で明らかにした。
福岡地裁久留米支部はK1・K3両被告人について第4回公判を2005年5月10日午後2時から開廷することを予定していた。しかしK3は2005年5月5日午前8時頃、拘置先の福岡刑務所にて房内で体調を崩しているところを巡回した刑務官に発見されたため、医務官から応急措置を受けた後、病院に搬送された。そのため福岡地裁久留米支部は、第4回公判を開廷予定だった2005年5月10日、公判日程を取り消し公判を中止した。その後、福岡地裁久留米支部はいったん2005年5月24日午後2時から改めて第4回公判を開廷することを決定した。しかし2005年5月20日、福岡地裁久留米支部は「K3の体調不良」を理由に再び公判日程を取り消した。この時点でK3は気管支系の疾患などを併発したが、回復に向かっていた。公判再開後2005年7月27日になって福岡矯正管区はこの体調不良について「不眠症の薬の副作用が原因だ」と発表した。発表によればK3は福岡刑務所に拘置された同年1月以降不眠を訴えたため、毎夜、刑務官から向精神薬を受け取り服用していた。K3は「自殺未遂ではない。薬の効き目を高めるため刑務官の目をごまかし、1回か2回、薬を飲むふりをしてから吐き出しては一度に飲んでいたかもしれない」と話した。
2005年6月7日、福岡地裁久留米支部でK1・K3両被告人の第4回公判が開かれた。体調不良のため入院していた被告人K3は、この日までに退院し前回公判から約1か月半ぶりに出廷した。しかしこの日は顔色が悪くやつれた様子だった。同日、被告人K2が検察側証人として出廷した。K2は次男K4がAを絞殺した際の状況について「一緒にいたK3が『しっかり首を絞めろ。人は息を吹き返すぞ』と自分に話しかけてきた」と証言した。
2005年6月14日第5回公判が開かれ、被告人K3の弁護人による冒頭陳述が行われた。弁護人は被告人K3について「4人の殺害現場に居合わせた事実はなく起訴事実を認めている母K2らとの謀議もなかった」として、被害者4人の殺害について改めて無罪を主張した。また弁護人は「次男K4が死刑になるのを防ぐため、K1を除く母子3人で『K3も計画に加わったことにする』物語を作り上げた」と主張した。
2005年6月14日の公判で被告人K3の弁護人が母K2被告人を証人尋問した。被告人K2は逮捕当初「4人全員を自分1人で殺した」と供述したが、後に家族の関与を認めたことについて「まず次男K4、次に夫K1、最後に長男K3と、それぞれ関与を認め、話した」と述べた。その一方でK3の関与を認めた経緯については「覚えていない」被害者Cの殺害については「K4が1人で殺したと聞いた」とそれぞれ証言した。
2005年7月12日の公判で被告人K2が再び証人出廷した。同日、被告人K1が妻K2に対し直接質問する一幕があった。K1は「事件は私が全部1人で実行したので、あなたと共謀した覚えはない。なぜ共謀したというのか」と質問すると、K2は一息置いて「私は嘘はついていません」と話した。また、K3の弁護人が、「『K3も計画に加わったことにする』物語を作り上げた」と主張したことについて、裁判官がK2に対し、「このような話をしたことがありますか」と尋ねると、K2は「ありません」と答えた。
2005年8月23日の公判で、被告人K4が始めて証人出廷した。起訴事実を認めていたK4は検察側から被害者Cの殺害について質問を受けると「兄K3から、Cを殺害しA宅金を奪う計画を持ち掛けられた」「『このことは両親にも言うな。もし警察にばれたらお前が自首して「全部自分1人でやった」と言え』と言われた」と証言した。その上で殺害・死体遺棄について2人で実行したことを証言した。
2005年9月27日の公判で被告人K4が検察側証人として出廷した。K4は主尋問にて「一連の犯行は家族4人全員で計画して行った。なくなった被害者4人に申し訳ないし、これ以上みっともない姿をさらしたくない」と話し謝罪の言葉を述べた。その上でK4は遺棄した遺体の発見を遅らせるため川に潜って遺体を探したことなど、事件の詳細について証言した。最後にK4は「犯行は自分の単独犯だ」と主張していた父K1について気持ちを聞かれると「息子であることを誇りに思う。正しいことを言ってほしい」と述べた。その一方で犯行を否認し続けていた兄K3に対しては「両親を踏み台にして自分だけ責任逃れしようとは人間失格だ。最後くらいはきちんとするのが社会に対してのけじめだ」と批判した。
2006年2月7日、被告人K3の公判で捜査段階の供述の任意性について被告人質問が行われた。被告人K3は弁護人の質問に対し、捜査段階で死体遺棄容疑を認めていたことについて「検察官がシャープペンシルで下書きした書類をボールペンでなぞった」「『内縁の妻が別れると言った』と聞きショックで『否認しても無駄だ』と思った」と述べた。その上で「検察官から『犯行を認めれば内縁の妻の接見禁止は解除する』と言われた。内縁の妻に会いたくて嘘の供述をしようと思った」と述べた。これに対し検察側は矛盾点を指摘した上で「任意性について疑わしい事情はない」と反論した。
2006年4月18日、K1・K3両被告人の公判で被告人K1に対し被告人質問が行われた。被告人K1は弁護人の質問に対し家族との共謀を否定した上で「全て1人でやった」と従来通りの主張を繰り返した。また分離公判中の妻K2・次男K3の両被告人がそれぞれ起訴事実を認めている点について「（2人は）自分を庇って、『やった』と言っている。息子が人を殺すわけがない」と話した。
2006年4月25日K1・K3両被告人の公判で被告人K1に対し被告人質問が行われた。被告人K1は被害者Aの殺害について強盗目的を否定した上で「Aの態度が気に入らず殺した。金品を奪う目的はない」と話した。
2006年5月16日、K1・K3両被告人の公判で被告人K3に対し弁護人からの被告人質問が行われた。被告人K3は被害者Aを「自分が殺す」と語ったことについて「『Aが知人の工務店に支払いをしないのは母K2の説得力が弱いからだ』と考え、母K2を本気にさせようとしただけだ」と述べ、改めて共謀を否定した。
2006年5月30日、K1・K3両被告人の公判で被告人K3に対し被告人質問が行われた。被告人K3は「2004年9月18日未明、K1ら他の被告人3人が被害者Aの殺害を話し合っていた際、自分は部屋の外で仕事の電話をかけていた」としてアリバイを主張した。またAが殺害された時についても「弁当屋・ファミリーレストランに行った後、実家でビデオを見ていた。3人が何をしているのか知らなかった」などと述べ改めて関与を否定した。
2006年6月27日、K1・K3両被告人の公判で被告人K3に対し高原正良裁判長による被告人質問が行われた。被告人K3は高原裁判長から「死刑を求刑されたK2・K4両被告人はともに『K3も共犯だ』と証言している」と指摘した。その上で「2人は、極刑を受ける可能性も出てくるあなたの立場もわかっているはずだ。なぜ2人はあなたの言う事実と違うことを言うのか」と質問した。これに対し被告人K3は「私は正直に言っているだけだ」と改めて殺害を否定した上で「K2・K4は犯行に私を含めることで無期懲役になると思っているのでは」と話した。
2006年10月24日福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）にて、第31回公判となる論告求刑公判が開かれた。検察側は父親K1・長男K3両被告人に対し、先に死刑判決を言い渡された母親K2・次男K4両被告人と同様死刑を求刑した。論告で検察側は「両名とも公判で虚偽の不合理で取るに足りない供述を積み重ねている」「自己中心的かつ凶悪な犯行で、何ら酌量すべき事情はない」と断じた。特に捜査段階では犯行を認めたものの公判で一転して否認に転じた被告人K3に対しては「両親や弟に刑事責任を擦り付ける人間性は、まさに邪悪そのものとしか言いようがない」と非難した。
2006年11月28日、福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）にて第32回公判が行われ結審した。最終弁論で被告人K1の弁護人側は「真摯に反省しており謝罪する態度がある」として死刑回避を求めた。また被告人K3の弁護人側は「K3にはアリバイがある」と訴え、取り調べ中の逃走事件以外全ての罪状についてこれまで通り無罪を主張した。最終意見陳述で被告人K1は「自分1人で殺した。妻子は一切犯行には関係ない」と述べた。被告人K3は「事件を止めることができなかった自分自身も責任を感じてはいるが決して殺害には関与していない」と陳述書を読み上げ無罪を訴えた。
2007年（平成19年）2月27日判決公判が開かれ、福岡地裁久留米支部（高原正良裁判長）は父親K1・長男K3両被告人に対し検察側の求刑通り死刑判決を言い渡した。これにより、犯行に関与した一家4人がいずれも死刑判決を受けるという前代未聞の事態となった。福岡地裁久留米支部は一連の犯行を「人命を軽視した冷酷・残忍な犯行で、極刑をもって臨むほかない」と非難した。判決理由においては、Aら3人の殺害についてK1の主導により、被告人4人が共謀して実行したことを事実認定した。その上でK1が「自分の単独犯だ」と主張したことに対しては「主張は不自然・不合理で信用できない」として退けた。その上で被告人K1について「常に犯行の中心的存在として主導的・積極的に関与した」「大牟田署で拳銃自殺を図ってでも事件の真相を隠そうとするなど暴力団特有の歪んだ価値観が根付いており矯正は困難だ」と非難した。また被告人K3に対しても「捜査段階で容疑を認めた自白は臨場感・迫真性があり体験したものでなければ語り得ないものだ」として無罪主張を退け有罪と認定した。その上で「捜査段階で殺害への関与を認めながら公判で無罪を主張しており反省は深まっていない。実行役を弟K4に押し付け脇役に転じるなど態度は自己中心的・狡猾だ」と断じた。そして一連の犯行について「親子4人がかりの殺害行為は執拗かつ冷酷だ」「死者への冒涜を厭わない姿勢も顕著だ」など、犯行を非難する文言が次々と述べられた。なお被告人K3が取り調べ中に福岡地検久留米支部から脱走を図った事件については「監視体制に油断があった点は地検の落ち度を指摘せざるを得ない」とした。