Soruşturma başlatan Cinayet Büro Amirliği ekipleri, ev arkadaşı Songül S.’nin ortadan kaybolması ve olayda kullanılan silahın bulunmaması üzerine, Tuğçe'nin öldürüldüğü ihtimali üzerinde yoğunlaştı. Bu kapsamda kurulan özel ekip, apartmanın güvenlik kamerası görüntülerini inceledi. Bina girişindeki kameranın 1 haftalık görüntülerini izleyen ekipler, Tuğçe'nin evine son giren kişinin, Oğuzhan Karakaya olduğunu saptadı. Görüntülerde, Karakaya'nın, cinayetin ardından son kez elinde poşetle eve girdiği ve yaklaşık 1 saat sonra dolu poşetle evden ayrıldığı görüldü.
Yapılan araştırmada Oğuzhan Karakaya'nın, Tuğçe Mutlu’nun ev arkadaşı Songül S.’nin sevgilisi olduğu belirlendi. Takibe alınan Karakaya, düzenlenen operasyonla Keçiören'deki evinde gözaltına alındı. Karakaya, ifadesinde; Mutlu'nun, sevgilisi Songül S. hakkında argo kelimeler kullanarak, konuştuğunu ileri sürdü. Karakaya, 'Olay günü Tuğçe ile tek evdeydik. Oturup sohbet ediyorduk. Bir süre sonra sevgilime küfredip, arkasından öyle konuşunca sinirlendim ve yanımdaki silahı çıkararak, tek el kafasına ateş ettim. Daha sonra evden çıkarak aşağıdaki aracımda oturdum. Bir süre sonra eve çıktığımda Tuğçe’nin öldüğünü tespit ettim' dedi.
Koduğumun balinası tecavüz ettim sonrada öldürdüm diyememiş