長良川事件の翌日の10月8日午前6時15分頃、現場付近の長良川堤防道路を通りかかった、トラックの運転手が、車を整備しようと路肩に停車したところ、堤防道路の駐車帯から約30m下ったところの雑草地で、頭から血を流してうつぶせに倒れ死亡している男性2人の遺体を発見し、近くの民家を通じて岐阜県警察大垣警察署に110番通報した。現場は安八郡安八町との境界の、名神高速道路から南に約2kmの地点で、堤防の外側は水田や民家が点在している。普段は夜間、この駐車帯にトラックが何台も停まっているが、事件発覚当時は週末のせいか、ほとんど車は停まっていなかったという。また、警察に通報した近隣住民によれば、現場一帯は自動車の転落事故が多発していたが、現場に車がないことから不審に思ったものの、これが殺人事件によるものだとは思わなかったという。同日午後、遺体の司法解剖が岐阜大学医学部で行われ、遺体の身元はともに愛知県尾西市在住のC・Dと確認された。C・Dの遺体は、激しい暴行により、頭部がべっとりと血に染まり、衣服はズタズタに裂け、全身にわたって棒状のものなどで何度も殴られたような外傷が見つかった。遺体の両腕は、振り下ろされる凶器を必死で防ごうとしたためか、傷でボロボロになっており、指の付け根が裂けるほどの傷を負っていたという。その後の調べで、現場には暴行の形跡はうかがえなかったが、現場一帯に多くの足跡や車のわだちが見つかり、近くの堤防法面の雑草の上や、遺体の足元から約3m離れた直径10cmほどの石の上に、それぞれ少量の血痕があり、堤防道路上に中央線をまたぐ形で、乗用車より幅の広いスリップ痕が、長さ5、6mにわたり確認された。このため、岐阜県警捜査一課、大垣署などは、C・Dは殺人、もしくはひき逃げなどにより死亡し、何者かが遺体を運んで遺棄したとみて、その後は遺体の状況などから、複数人による暴行を受け、発見現場に遺棄された可能性が高いとみて捜査した。10月9日までに、C・Dと同様、もう1人の被害者である、男性Eも事件に巻き込まれ、顔に軽傷を負っていたことが、岐阜県警の捜査で判明した。Eの話によれば、犯行グループは見知らぬ相手で、10代後半から20代前半の若い4人以上であり、車で外出して3人で一緒に行動中、犯人グループとのトラブルに巻き込まれて空き地のような場所で襲われたという。『中日新聞』1994年10月10日朝刊では「Eだけは途中で命からがら逃げ出した」と報道されたが、後に前述のように大阪まで連れ回されてから解放されたことが判明している。司法解剖の結果、死亡推定時刻はCが7日午後10時前後、Dは翌8日午前2時40分前後であることが判明し、死因については、鉄パイプ・角材など、複数種類の棒状の凶器により、多数の打撲を受けたことによる、失血死と判明した。大垣署は、犯人を複数人のグループと断定した上で、同日付で署内に捜査本部を設置し、悪質な傷害致死事件として、捜査を開始した。また、2人とも財布などの所持品がなかったことから、犯人グループが奪った可能性が高いとみて、Eから詳しく事情を聴き、犯行グループの割り出しに全力を挙げた。翌10日のEからの事情聴取では、C・D・Eはボウリング場で女性と知り合ったが、この女性を巡って見知らぬ若い男たちのグループとのトラブルに巻き込まれ、C・DとEは、それぞれ別々に拉致され、犯行グループの車に連れ込まれた。その後、3人は犯行グループが便乗した車に別々に押し込まれ、数か所に連れ回され、遺体発見現場の河川敷堤防上に到着した。Eは車内後部座席で「うつむいておれ」などと脅され、複数人から殴られた後、別の場所で自分だけ解放されたというが、女性が一緒にいたかどうかは分からなかったという。1日までに、被害者と犯行グループのトラブルの発端となった女性とみられる、犯行グループに加わっていた20歳前後の若い女性の存在が突き止められ、岐阜県警・大垣署はこの女性を含め6人の犯行グループの行方を追った。12日までの調べで、犯人グループに奪われ、事件後に一宮市内で消火剤を撒かれて放置されていた、Eの軽乗用車に残っていた指紋から、津島市の強盗致傷事件で愛知県警から指名手配されていた少年KMが、被疑者の1人として割り出された。捜査本部は、KMを含む尾張地区の不良少年グループ6人による犯行と断定し、事件後に行方をくらました男性2人、トラブルの原因になった女性1人を特定して行方を追い、残る男2人もKMの周辺にいるとみて特定を急いだ。KMは既に愛知県警に指名手配されていたことから、関係者への事情聴取で、犯行グループの中でも真っ先に長良川事件への関与が浮上した。Eの証言では、さらに「C・Dの殺害現場から、大阪市内へ車で運ばれる途中、犯行グループがコンビニに立ち寄っていた」ということが判明した。捜査本部は、その店を特定した上で、事件当日の7日夜から8日未明にかけての、防犯カメラに記録されたビデオ映像を分析した。その結果、犯行グループの中心にいた、若い女の姿が映っており、特定に成功した。事件発覚翌日の10月9日、大阪から運転手役のVが一宮市に戻り、X・W子・Y子らと合流して車内でシンナーを吸っていたが、その現場を一宮警察署の署員に押さえられた。13日までに捜査本部は、犯行グループ6人のうち5人を特定し、そのうち男2人、女1人の計3人について、潜伏先を突き止めた。その上で捜査本部は、Cらの財布が奪われていたことから、容疑を傷害致死から強盗致死に切り替え、同日朝から事情聴取を始めた。一方、KMら残る男2人についても、強盗致死容疑で全国に指名手配し、メンバーの一部が近畿地方で暮らしていた経歴があることなどから、関西方面に潜伏している可能性もあるとみて、捜査員を派遣し、その行方を追った。同日、稲沢市在住の当時21歳の男Zと、一宮市内在住の当時16歳の少女Y子の2人が、岐阜県警捜査一課と大垣警察署の捜査本部に、長良川事件での殺人、逮捕・監禁、強盗などの容疑で逮捕され、KMや、福岡県生まれの当時20歳の男Vら、計4人が、殺人などの容疑で指名手配された。また、事件の参考人として聴取していた、一宮市在住の当時19歳の少年Xと、家事手伝いの当時18歳の少女W子が、それぞれ「仲間数人で友人を暴行して木曽川に捨てた」と自供し、供述通りに尾西市の木曽川河川敷で、Bの遺体が発見されたため、愛知県警は同日夜、X・W子を殺人容疑で逮捕した。X・W子は木曽川事件直後にグループから分かれており、長良川事件には関与していなかった。KMは事件発覚後も一宮市周辺に潜伏してシンナー仲間や少年院に入所していた際の知人を頼りに転々としつつ、逃亡を続けていた。その際の知人男性XXによれば「KMは10月10日夜、自分の知り合いの女の子の紹介で、自分の家に『人を殺してしまったので逃げる場所を教えてほしい』と相談に来た。別に動転しているようでもなかった。自分も、人を殺した者と会うのは初めてじゃなかった」といい、KMはこの知人宅に泊まった後いったん外出したが、仲間（後輩の男）とともに戻ってきた。KMはその後輩を「自分の前を横切った」などの些細な理由で殴っていたという。KMは逃走中、「第3の事件」（厳密には逮捕時点では発覚していなかった大阪事件を含めて「第4の事件」）を起こしていた可能性があった。KMは10月13日深夜、一宮市内のコンビニエンスストア前で、駐車して車内で弁当を食べていた、18歳の若者の車にいきなり乗り込み、車の鍵を奪い、仲間とみられる男女2人（XXと友人の少女）とともに、若者を拉致したまま、江南市方面へと走行した。被害者の若者によれば、KMは関西弁を用いて脅したため「大阪のヤクザだ、逆らうとまずい」と直感し、KMの言いなりになったといい、またKMとともに乗り込んできた男女は、どちらもシンナー臭かったという。この様子を若者の知人が目撃しており、若者の家族が連絡を受けて110番通報したため、パトカーが出動、KMが奪った乗用車を追跡する騒ぎとなった。約3時間後の10月14日午前零時過ぎ、KMが運転していた乗用車は、江南市東野郷前で街路樹に衝突し、乗っていた4人（KM・XX・仲間の少女の計3人と、連れ去られた若者1人）全員が負傷し、このうち助手席に乗っていたXXは、フロントガラスを割って前方に投げ出され、右大腿骨骨折の重傷を負い入院したが、KMは再び逃げ去った。KMはその後、相談に行った先で説得され、この日の深夜に愛知県警一宮警察署に出頭し、指名手配容疑である、木曽川事件での殺人容疑で逮捕された。中部管区警察局は同日、本事件を管区第3号事件に指定した。逮捕当時、KMは前述の衝突事故による怪我のため、右足を引きずっていた。その後、KMは11月4日、長良川事件での殺人容疑で、岐阜県警捜査一課に、11月26日にも、一連の事件前の指名手配容疑である、津島市の強盗致傷事件で、愛知県警捜査一課・津島警察署に、それぞれ再逮捕された。KMが逮捕された翌日の10月15日、前述の福岡県生まれ（大阪市平野区在住）の当時20歳の男Vが、岐阜県警捜査一課・大垣署に、殺人、逮捕・監禁致傷などの容疑で逮捕された。10月15日、岐阜県警・長良川事件捜査本部は、同事件の犯行グループ6人のうち行方不明になっていたKAを、殺人容疑で指名手配したが、KAは既に別の強盗事件で10月12日に大阪府警に出頭し、逮捕されていたことが判明した。10月23日、大垣署にKAの身柄が移され、KAは殺人、逮捕・監禁致傷の疑いで岐阜県警捜査一課・大垣署に逮捕された。その後、KAは11月14日、木曽川事件の殺人容疑で、再逮捕された。また、KMがグループの仲間である2人の少女（W子・Y子）の殺害も他の仲間に対して漏らしていたことが11月1日までの愛知・岐阜両県警の共同捜査本部による捜査で判明した。犯行グループは木曽川事件が男6人、少女2人の合計8人が犯行に関与したが、少女1人を含め6人が長良川事件にも関与した。少女は主犯格のKMらがBらにリンチを加えている時も手を出さず、苦しんでいるBらを見かね「もう死んでしまうからやめて」などと犯行を阻止しようとする態度も見せていた。グループ内の仲間によると、KMは少女らが被害者に同情的だったことから「警察に通報されるかもしれない」と恐れ、リーダーとしての虚勢及び仲間割れを防ぐための脅しなのか、本気なのかは不明だが「あとで殺すつもりだ」「1人殺すのも100人殺すのも同じだ」などと発言していたという。両事件で計3人を殺害した上に犯行を隠蔽するために仲間までも抹殺しようとエスカレートしていくKMに、比較的絆が強かったという仲間たちでさえ「もうついていけない。今度は自分たちがやられるかも」と恐れ、身の危険を感じ自ら警察に通報して逮捕されるに至った。さらに11月18日までにKMが「9月下旬、大阪市内でも男性を殺害し高知県内に捨てた」と自供し、翌11月19日に報じられた。11月21日までに、木曽川・長良川事件の愛知・岐阜両県警共同捜査本部は、被害者男性の身元を男性Aと断定した。Aは当初23歳の大阪市在住と報じられたが、正しくは大阪府柏原市在住の当時26歳だった。岐阜・愛知両県警の合同捜査本部と大阪府警察、高知県警察はKMの供述に基づきAの遺体捜索のため捜査員を派遣し、岐阜県警もKMを捜査に立ち会わせるため高知県に移送した。遺体捜索は11月23日朝からの予定であったが、岐阜県警がKMを高知県警安芸警察署に移送する途中、KM本人が希望したため、捜査員が遺棄場所を案内させ、大阪府警、高知県警とともに捜索に入ったところ、11月22日午後7時過ぎに室戸岬北西の、高知県安芸郡奈半利町の山中で、布団に巻かれた裸の男性の遺体を発見した。これを受け、4府県警は、広域連続強盗殺人・死体遺棄事件として共同捜査本部を設置した。翌11月23日、岐阜・愛知・高知各県警及び大阪府警の共同捜査本部は、大阪大学医学部で遺体を司法解剖し、歯形から、遺体の身元をAと断定した。このように、大阪事件を自供したことについては、KMの自首が成立すると、確定判決でも認定されている。なお、大阪事件に関与したUは10月2日、別の強盗致傷事件で大阪府警南警察署に逮捕され、大阪家庭裁判所送致を経て保護観察処分になり、その後行方を晦ましていたが、11月26日午前に両親に付き添われて南署に出頭し、殺人・死体遺棄容疑で逮捕された。大阪事件において、KM・KA両名は12月5日、大阪府警南署捜査本部により、殺人、死体遺棄容疑で再逮捕された。KM・KA・Uの3人は、大阪地方検察庁により、12月27日までに「刑事処分相当」の意見付きで、大阪家庭裁判所に送致された。一連の事件の被疑者の中で、HMは最後まで逃亡していたが、翌1995年（平成7年）1月17日に発生し、出身地の神戸市に甚大な被害をもたらした、兵庫県南部地震（阪神・淡路大震災）の混乱の中で、和歌山市内に逃走した。翌1月18日、HMは和歌山市内のラブホテルに女性とともにいたところ、大阪事件の殺人容疑で、大阪府警南署に逮捕された。大阪事件の死体遺棄容疑で指名手配されていたTも同日までに、大阪府警南署に逮捕された。HMは長良川事件についても、強盗殺人、強盗致傷、逮捕・監禁容疑で2月9日、大垣署に、木曽川事件についても、殺人容疑で3月3日、愛知県警捜査一課・一宮署に、それぞれ再逮捕された。KMら犯行グループと、被害者らの接点は、前述のようにボウリング場で偶然出会ったCらに対し、KMらが一方的に因縁をつけたことであり、また最初に逮捕された当時16歳の少女W子は「6人の犯行グループのうち、3, 4人は当日まで顔を見たこともない」と供述した。些細なことで面識のない6人の非行グループが、出会い頭的に見も知らぬ相手を襲い、鉄パイプ（厳密には前述のようにアルミニウム製）で滅多打ちにして殺害するという凶行に、捜査員は「昔の殺しには必ず目的や動機があった。こんな理由なき殺しはしなかった。何がいったい彼らを駆り立てたのか」と、その異常さにショックを受けた。別の捜査関係者は「最近、20歳前後の若者でこうしたタイプの犯罪が増えている」と指摘し、『中日新聞』1994年10月14日朝刊は、同年7月に岐阜市内で起きた、別の若者らによる殺人事件についても、「『むしゃくしゃして誰かに当たりたかった』という理由にもならない理由で殺人が起きた」と言及した。また、合同捜査本部の幹部は「本当の動機なんてないじゃないか。結果を考えず衝動任せ。人を殴ったり、金を奪ったりということを悪いと思う意識が欠落している。まるでゲーム感覚だ」と憤った。『週刊文春』1995年7月13日号では、「（KMら）少年ヤクザは殺害した4人を、いずれもゴミのように乱雑にうち捨てた。死者の尊厳も何もあったものではない」「一般的な価値観さえ備えていれば、なにも生命まで奪わなくてもすむような単純な『動機』である」と綴られた。その凶悪さについて、『週刊新潮』（新潮社）2005年10月27日号にて小田晋（当時・帝塚山学院大学教授）は「他人に対して一切の同情や憐みの感情を抱くことなく、ひたすら冷酷に、非道な行為を続けることができる残忍極まりない人種、つまり冷情性精神病質の持ち主たちの犯罪に他ならない」とコメントした。