প্রথমে মামলার তদন্ত কর্মকর্তা ছিলেন ওই থানার একজন উপ-পরিদর্শক। চার দিন পর চাঞ্চল্যকর এ হত্যা মামলার তদন্তভার ঢাকা মহানগর গোয়েন্দা পুলিশের (ডিবি) কাছে হস্তান্তর করা হয়। টানা ২ মাসেরও বেশি সময় তদন্ত করে ডিবি রহস্য উদঘাটনে ব্যর্থ হয়। পরে হাইকোর্টের নির্দেশে ১৮ এপ্রিল হত্যা মামলাটির তদন্তভার র‌্যাবের কাছে হস্তান্তর করা হয়। র‌্যাব তদন্তের দায়িত্ব পাওয়ার পর সাগর-রুনির মরদেহ কবর থেকে তোলার আবেদন জানায়। ২০১২ সালের ২৬ এপ্রিল নির্বাহী ম্যাজিস্ট্রেট মো. শাহিদুজ্জামানের উপস্থিতিতে সাগর-রুনির মরদেহ তোলা হয়। তাতে পরীক্ষা করে দেখা যায়, নিহত সাগর-রুনিকে হত্যার আগে কোনো নেশাজাতীয় খাবার পানীয় দেওয়া হয়নি এবং কোনো বিষও পাওয়া যায়নি। হত্যাকাণ্ডের ৮ মাস পর ২০১২ সালের ১০ অক্টোবর বনানী থানার একটি হত্যা ও ডাকাতি মামলায় প্রেপ্তার থাকা ৫ আসামি মিন্টু ওরফে বারগিরা মিন্টু বকুল মিয়া, কামরুল হাসান অরুন, রফিকুল ইসলাম ও আবু সাঈদকে গ্রেপ্তার দেখানো হয়।