根据洪茹提供的线索，犯罪嫌疑人操北京口音，自称坐过牢，可能是一个惯犯。警方将嫌犯DNA数据发往公安部DNA数据中心进行比对。
马长财落网
2011年9月20日，警方锁定马长财就是该案嫌疑人，在他的住处附近将其抓获。马长财承认杀害李玫的事实，却坚决否认强奸洪茹和李玫。办案人员根据调查和马长财的供述，大致还原了李玫遇害过程。
2011年9月3日凌晨，马长财将被害人洪茹送到学校后，迅速开车逃离，因为疲倦就回家睡觉了。接连几天，马长财都没有去昌平大学门口拉活，恰好躲过了办案民警的蹲点。
2011年9月17日晚上，马长财再次去昌平拉活。凌晨2点，带着几分醉意的李玫上了他的车，表示要去南口镇，谈好价格后，就仰靠在座椅上闭眼休息。
李玫睡着了，马长财不快不慢地开着车，往南口方向开，他本想将车停在路边，但是害怕被路过的车辆司机发现。随后他一打方向盘，拐弯往延庆方向驶去，当车行至延庆县大庄科乡解字石村时，他突然发现距离公路几十米处有一个废弃的沙场，便将车开过去，停下来关闭发动机，并熄了车灯。
按照马长财的说法：当他将车停下后，李玫警觉地问他想干什么？他笑着说想跟她发生关系，没想到她马上就答应了。孰料，当他去脱她的衣裤时，她却反悔了，要求他给她10万元，否则报警。他被激怒了，当即跟她吵起来。这时恰好远处有一辆汽车开过来。李玫大声呼救，他害怕被人发现，就卡住了她的脖子，李玫激烈反抗，马长财一气之下将她掐死。
“一个年轻女孩，怎么会跟一个素昧平生的中年黑车司机一拍即合发生性关系？”办案人员认为，马长财的口供不足采信，真实情况应是：马长财将车停在沙场后欲行强奸，但遭到李玫的激烈反抗，因担心罪行暴露，遂将其残忍杀害。随后，他脱去李玫的全部衣物，将尸体抛在沟里，取出铁锹挖土掩埋。由于深夜看不清，李玫的双脚露在外面他没注意到。马长财还抱着被害人的衣物和坤包去别处焚烧，牛仔裤和袜子又掉在地上，他也没发现。点燃衣物后，他驾车逃离现场。
第二天，当地两名村民经过沙场，发现沟里的尸体，一双腿露在外面，急忙拨打110报警。
承认杀人，不认强奸
马长财落网后，只承认杀害了李玫，却不承认强奸行为，他自称是在两人交易不成引起分歧才杀人的。同时，马长财还坚决否认了强奸洪茹的事实。他辨称，洪茹上车后，他判断她是一名小姐，就提出跟她发生关系，并开价600元，事后给了她200元。后来，他把洪茹送到目的地后驾车离去。洪茹是嫌钱少出于报复才报警的。
在北京市第一中级法院开庭审理此案时，马长财及其辩护人在法庭上仍坚持上述说法。作为被害人的洪茹，她不仅遭遇了凌辱，还被污蔑为“卖淫”，引起她的极大愤怒，其代理人当即予以驳斥。
是强奸还是性交易，引起控辩双方激烈交锋。由于被害人李玫死亡无法对质，而关于强奸案的争议，集中在洪茹是否被强奸上。
马长财一方认为，事发过程中洪茹没反抗，而且她承认是在歌舞厅的小姐，马长财事后还给了她200元，并送她回家，一路上洪茹情绪稳定，这可能是被强奸吗？
此案的公诉人却认为，洪茹的身份是在校学生，并非歌舞厅小姐；一个孤身女子，在荒郊野外面对一名持刀壮年男子的威胁，为了避免遭受更大伤害，放弃抵抗情有可原；为了避免被灭口，被害人虚与委蛇，与被告人周旋，这不过是保全性命的策略；当被害人脱离被告人控制后马上报警，说明与被告人发生关系完全是违背她的意愿的；结合被告人残忍杀害被害人李玫的犯罪事实来看，被害人洪茹采取放弃抵抗、与报告人周旋的做法，是有意义的，保证了自己没有受到更大伤害。
洪茹被强奸的消息，在小范围内被亲友和学校师生知悉，这给她造成了很大心理压力。而父母给了洪茹最大的安慰。相较而言，被害人李玫的父母更加悲愤，在法庭上他们举着女儿的肖像，痛斥被告人马长财，声泪俱下地说，李玫聪明漂亮，孝顺懂事，万万没想到却惨死在马长财手里。
2012年9月4日，北京市第一中级法院一审以故意杀人罪、强奸罪判处马长财死刑，剥夺政治权利终身，并赔偿李玫家属各种经济损失合计69万余元。
马长财不服一审判决，提起上诉。2月21日，北京市高级法院终审判处马长财死刑，等待最高人民法院死刑核准之后将被执行死刑。