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。
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。
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。
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。
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。
武蔵国・在庁官人で藤原秀郷の直系子孫とされる太田行政の子（または孫）として誕生。当初は太田政光を名乗る。政光は久安6年（1150年）頃、下野小山荘に移住し、小山氏の祖となる。後室で三男・朝光の母である寒河尼は源頼朝の乳母。治承4年（1180年）8月の源頼朝挙兵の際、政光と嫡子・朝政は大番役として在京していたが、頼朝の乳母であった後室・寒河尼が元服前の朝光を伴って10月に房総で再起した頼朝の宿所を訪ねている。夫の不在中は妻が権限を持つのが慣習であり、これによって在地にあった小山氏の武士団は頼朝方に立つことになる。以降、息子達と共に頼朝の御家人となる。文治5年（1189年）7月の奥州合戦で奥州へ向かう道中、下野の宿舎で政光が頼朝の接待をしていた時、頼朝の前に熊谷直実の子・直家が祗候していた。政光が何者か訪ねると、頼朝は「この者は本朝無双の勇士の熊谷小次郎直家である」と紹介した。政光がなぜ無双と称するのか問うと、「一ノ谷の戦いを始めとする平氏追討の戦場で父と共に度々命がけで戦ったからである」と褒めると、政光は大いに笑って「君（頼朝）のために命を捨てるのは、直家に限ったことではありません。ただし、このような者はろくに郎党を持てないために自分で勲功をあげ、高名手柄にするしかないのでしょう。政光のごときは、ただ郎党を派遣して忠を尽くすだけです。皆の者、今度の戦では先頭に進んで自分自身で手柄を立てて、本朝無双の勇士と褒めていただこうではないか。」と息子らに命じた。これは家人の高名がそのまま自己の戦功となる大領主の「大名」武士と、自身で戦功を立てるしかない「小名」武士の違いを示す例として知られる。没年は不明だが、正治元年（1199年）以前に死去している。