現場に急行した警察は、早速捜査を開始する。まず、男達が飲んだ清酒では中毒症状が無いことから、女達が飲んだ「ぶどう酒」に原因があるとして調べる。その結果、ぶどう酒に「農薬(ニッカリンT)」が混入されていることが判明した。そこで、警察はぶどう酒の購入・搬入に誰が関与したのかを調べる。すると、3人の男性が重要参考人として捜査線上に浮かんできた。
取調べで3人は犯行を否認するが、その内の一人、奥西勝(当時35歳)は、死亡した5人の女性の中に妻と愛人がいたため「三角関係の清算」のための犯行ではないかと嫌疑をかけられた。