专案组根据已知的线索，得知李姓男子是井口真理子最后的接触对象。于是，专案组把李姓男子列为重要关系人，并对他进行询问。但是，李姓男子的说词和行踪都交代的很清楚，而且警方也得到了验证，最后将其释放。在7月7日，警方收到线报，说井口真理子已被杀害，而且尸体被埋在了台南县新市乡一处公墓。但是，警方在展开大规模搜索后，确定消息不实。
在7月18日，井口久子第二次到台湾寻找爱女，仍无所获。到了9月6日后，井口久子第三次到来，并成立了“井口真理子搜索后援会”。但可惜的是，结果如同前两次般没有任何进展。在10月份，专案组再次得到线报，说井口真理子最后接触的一个人，是出租车司机刘学强。但是，因为刘学强当时精神并不稳定，再加上供词反复，因此案件一直难有进展。
在12月6日，警方再次把悬赏金额提高到新台币100万元。1991年1月4日，有报案说在台中县后里乡的一处甘蔗园内，发现了一具与井口真理子高度相似的女尸。但最后，警方经过牙齿X光照片对比后，发现这具尸体并非是失踪的井口真理子。不久，专案组又一次得到线报，认为先前约询过的刘学强有重大嫌疑。刘学强是高雄市小港区的一名计程车司机，他经常在小港区排班。
可是，专案组在调查中发现，刘学强所开的那辆计程车十分的刻意。因为在车内摆满了各式的佛像，就连车窗上也贴满了佛经，以及挂满了各式各样的祈福饰品。在之前约询刘学强的时候，专案组发现他并不是一个有宗教信仰的人。而在最近，刘学强不仅在车上贴满了佛经，亦或者挂满了祈福饰品，就连他的双手也都戴满了佛珠。此外，专案组还发现刘学强每天晚上都会在计程车内睡觉，没有返回小港区的住处。
而且在刘学强的家里，同样摆满了大小数十尊的佛像。在对刘学强的邻居进行走访的时候，专案组从邻居处得知，刘学强很少回到住处，而在晚上的时候，他们常在半夜里听到女孩子的哭声。但是当他们问刘学强是否是惹女朋友不开心时，刘学强并没有回答他们，反而是脸色苍白，身子有些发抖。随后，专案组找来刑事局法医室的鉴识专家，让他们对刘学强的住处进行彻底的勘查。
在做血迹及化学反应的时候，他们发现在刘学强家的地上及墙壁等位置，都有强碱反应。这说明刘学强在最近曾用清洁剂、消毒剂等物品，对他的家进行过彻底的清洗。与此同时，警方还通过四五月份的水费单，发现刘学强在当月用水比平时多了5吨。而先前从邻居处得知，刘学强并不是一个爱清洁，以及常打扫为生的人。此外，曾有邻居看到刘学强在家中的后院烧东西，以及扔东西。
针对这些线索，专案组立即对刘学强展开抓捕。被逮捕后，刘学强并没有过多的反抗便交代了自己杀害井口真理子的事实。1990年4月7日，在高雄车站前的建国三路骑楼，刘学强碰到了背着背包，独自一人的井口真理子。在上前搭讪后，发现她是日本女大学生，独自一人来台旅行，当时正在找住处。得知这一消息后，刘学强和她交谈了一会，便让她可以暂时住在他小港区的家。
征得井口真理子同意后，刘学强便骑车载着井口真理子回到了小港区的住处。随后，他又和井口真理子游玩了澄清湖，凤山等地。在4月8日清晨，因觊觎井口真理子美色而被拒绝后，刘学强恼羞成怒。趁井口真理子熟睡之际，刘学强持着十字弓，对准井口真理子的头部射了四箭。而在杀了井口真理子后，刘学强还对她进行了J尸。随后，刘学强又把她的头部给砍下来放入塑料袋，尸身则是用床单包裹着。
而后，随同作案时的血衣、十字弓，以及井口真理子的背包及物品，刘学强都不同程度的分散丢弃在不同的地点。但是，专案组在询问弃尸地点时，刘学强却是含糊其辞，一时说是在台南市，一时又说在台南县。直到1991年3月7日，刘学强才坦诚了弃尸地点，位于台南市崇明十三街的一处空地，而头颅则是丢弃在南门街附近的垃圾车里。
3月9日，专案组前往刘学强所提供的弃尸地点进行开挖。但让人奇怪的是，当时这块地曾被环保局雇来挖掘机整地过，可只要挖掘机挖到大树旁边就突然故障。而警方在后来的挖掘中，却直接挖出了100多块尸骨。在送到台北鉴定后，确定尸骨就是井口真理子的。至于头颅，在被丢弃到南门街附近的垃圾车后，便被运送到台南县仁德乡垃圾场掩埋了。
