奈良小1女児殺害事件
一方で奈良県警捜査本部(奈良西署)は、被害者女児の携帯電話から発信された複数回のメール・電話などの記録を解析した。その結果、すべて河合町周辺の基地局経由での発信であることを把握し同町周辺を重点捜査していた。また「犯人は奈良県西部の土地勘のある人物」として聞き込み捜査などを行った結果、「犯行に使用された乗用車は加害者が借りていた緑色のトヨタ・カローラIIである」「加害者は犯行当日、週1回の休日(水曜日)で事件当時のアリバイがない点」「小林が飲食店で被害者女児の写った携帯電話の画像を客らに見せるなどしていた点」などが判明した。
そのため、12月30日の、捜査本部は被疑者小林を西和警察署に任意同行して 事情聴取を行った。また、小林宅を家宅捜索したところ、被害者女児のランドセル・携帯電話などが見つかり、同日中に小林を誘拐容疑で逮捕した。取り調べに対し、小林は殺害・死体遺棄などについて容疑を認め、Aの母親へ遺体写真を送信した理由について「結果を知らせてやりたかった」と供述した。
2005年(平成17年)1月19日には殺人・死体遺棄の容疑で再逮捕されたほか、奈良地方検察庁により同日付でわいせつ目的誘拐の罪により起訴された。
その後は2月8日に死体損壊・脅迫容疑で追送検され、翌日(2月9日)には殺人・強制わいせつ致死・死体遺棄・死体損壊・脅迫の各罪状で奈良地方裁判所へ起訴された。
小林の自宅からは、80から100本もの幼児ポルノビデオや雑誌、盗んだものと見られる女児の下着や衣類が約80枚、およびスクール水着に女性用の下着や女児向け衣料などを詰めて作った、頭や手足のない胴体だけの人形のようなもの が押収されており、小林は小児性愛者であったとされる。なお、押収された人形のようなものは、事件発生から3日後に小林が作った。
小林が小児性犯罪の前科を有していたため、影山任佐(東京工業大学教授・犯罪精神医学)は、そういった前科犯への矯正教育・治療の必要性に加え、「治療・矯正が困難な場合は、出所後も被害者となりうる女児から隔離するなどの対策を取ることも必要」と指摘した。また、大谷昭宏は事件後、小林が逮捕されるまで「犯人はフィギュアおたく(フィギュア萌え族)ではないか?」とする説を唱えていたが、小林がフィギュアを所持していたとされる報道はなかった。
なお、被害者女児Aは生前、大阪近鉄バファローズのファンだった。これを受け、当時近鉄に所属していた中村紀洋は自身のサイン入り野球道具(バット・グラブ・ユニホームなど)をAの遺族に贈り、通夜の際は霊前に供えられた。