凶案发生后两个月，九龙马头围女童院内一名13岁女童阿芳、亦即第二被告梁胜祖的女友，向社工说自己做著相同的恶梦，梦中有人向她索回自己的头颅，她向社工倾诉时，将凶案和盘托出，社工于1999年5月24日报警。
阿芳是案中的重要污点证人，她本身是问题少女，1999年农历新年期间，陈文乐邀请她及另一被告到事发单位居住。到处留宿的阿芳，有了固定居所，在案发期间，阿芳指有被告人曾以小便射向受害人口腔，又要求阿芳在鞋盒上大便，强逼受害人吃光。
1999年5月26日，九龙油尖区警区一队探员，带同阿芳到达现场。阿芳疑因惧怕不敢上楼，只在楼下指出案发单位，警员带备口罩及以胶袋包脚，以防尸虫咬噬。当单位大门打开后，一阵尸臭味扑鼻而来;开灯后，HelloKitty洋娃娃就在眼前不远，倚在走廊墙边。探员以铁枝轻刺公仔内收藏的头颅，感觉内有坚硬物体。由于死者人头未完全烹熟，洋娃娃仍渗出腥臭血水。单位内亦发现两个仍未洗净的不锈钢煲及瓦煲，相信是曾经烹煮人头的器皿。两煲周围满布尸虫，煲内甚至盛著充满恶臭的渣滓。
法医官奉召到场后，在HelloKitty内发现一个女性人头，洋娃娃的棉花满布尸虫，头骨已被人煲熟，由于皮肉及头发组织已被破坏，无法进行DNA化验。探员最终在现场检走一批重要证物，包括一个无门冰箱、一把铁锤及一个怀疑曾作烹尸用的瓦煲。
警方随即追捕各被告，期望在记者报道前将疑凶拘捕。1999年5月27日，警方接获线报，派出4名探员到达葵涌石梨邨石宁楼17楼一单位，即时冲入单位。当时首被告陈文乐与妻子阿佩正在做饭;翌日，次被告梁胜祖主动投案，第三被告梁伟伦在报章上得知事件，逃往广西。
由于知道梁已离境，警方遂将资料交给国际刑警协助追捕，直至年2月14日，中国大陆公安在执行其他任务时巧遇梁伟伦，因他未能出示身份证明文件，遭公安扣押，其后得悉他在港被通缉，移交香港受审。