ต่อมาเวลาประมาณ 19.30 น.วันเดียวกัน พ.ต.อ.วุฒิชัย จันโทภาส ผกก.สภ.เมืองหนองคาย, พ.ต.ท.วิเศษ ลานอุ่น รองผกก.(สส.), พ.ต.ท.อรรถศักดิ์ ศิริพาณิช รองผกก.(ป.), พ.ต.ท.เนรมิตร นนสะเกตุ รองผกก.(สอบสวน), พ.ต.ท.ณัฐวุฒิ สีเสมอ สว.สส. พร้อมเจ้าหน้าที่ชุดสืบสวน ได้ร่วมกันจับกุมนายอนุสรณ์ ชัยเจริญ หรือ ติ่ง อายุ 20 ปี อยู่บ้านเลขที่ 17 หมู่ 9 ชุมชนบ่อหิน ต.โพธิ์ชัย อ.เมือง จ.หนองคาย ขณะนั่งพักผ่อนอยู่ภายในบ้านพัก พร้อมยึดรถจักรยานยนต์ฮอนด้าเวฟ 110 สีแดง ทะเบียน กธน 914 หนองคาย คันที่ใช้ก่อเหตุ คุมตัวมาสอบสวนที่ สภ.เมืองหนองคาย
โดยมีพยานเป็นเด็กหญิงที่อยู่ในเหตุการณ์ด้วยมาชี้ตัวในตอนแรก แต่นายอนุสรณ์ให้การปฏิเสธ เจ้าหน้าที่จึงนำภาพจากกล้องวงจรปิดที่จับภาพนายอนุสรณ์ที่สวมเสื้อยืดแขนยาวสีดำสลับเทา กางเกงลายขวางขาสามส่วน ขณะขับรถจักรยานยนต์พาเด็กหญิงเอ ออกจากโรงเรียนมายืนยัน ซึ่งเป็นเสื้อผ้าชุดเดียวกับที่กำลังสวมใส่อยู่ สอบสวนอยู่นาน 2 ชั่วโมง นายอนุสรณ์ จำนนด้วยหลักฐานจึงยอมรับสารภาพว่าได้ก่อเหตุจริง พร้อมกันนี้เจ้าหน้าที่ยังได้เก็บหลักฐานทางนิติวิทยาศาสตร์ประกอบสำนวนด้วย
จากนั้นเจ้าหน้าที่สหวิชาชีพ อัยการ พัฒนาสังคมและความมั่นคงของมนุษย์ บ้านพักเด็ก มาร่วมสอบปากคำ โดยได้นำ ด.ญ.เอ มาชี้ตัวผู้ต้องหา ซึ่ง ด.ญ.เอ ยังพักรักษาตัวที่โรงพยาบาลหนองคาย ชี้ตัวยืนยันนายอนุสรณ์ได้แม่นยำ หลังจากชี้ตัวเสร็จก็กลับไปพักรักษาตัวที่โรงพยาบาลต่อ ถัดมาเวลา 23.30 น. เจ้าหน้าที่ได้คุมตัวนายอนุสรณ์ไปทำแผนประกอบคำรับสารภาพตามเส้นทางก่อเหตุจากโรงเรียนไปยังบ้านร้างแห่งหนึ่งริมถนนสายเดิม (ชื่อถนน) เชื่อมต่อระหว่างบ้านเคียงเมืองกับบ้านคำแค ต.โพธิ์ชัย ซึ่งช่วงที่คุมตัวนายอนุสรณ์มาทำแผนที่โรงเรียนนั้นนักการภารโรงจำได้ว่านายอนุสรณ์เคยเป็นศิษย์เก่าของโรงเรียนแห่งนี้ด้วย
จากการสอบสวน นายอนุสรณ์ ชัยเจริญ ให้การว่า ก่อนเกิดเหตุได้ขี่รถจักรยานยนต์มาโทรศัพท์หาแฟนที่ตู้โทรศัพท์สาธารณะหน้าโรงเรียนแต่โทรไม่ติด จึงขับรถออกไป ไม่นานก็ย้อนมาที่โรงเรียนใหม่แล้วไปนั่งเล่นอยู่ที่ศาลาในโรงเรียน ขณะนั้นมี ด.ญ.3 คน วิ่งมาเล่นที่ศาลา ด.ญ.เอ มาถามตนว่า "พี่มีเงินมั้ย 50 บาท พาหนูไปซื้อขนมหน่อย" ตนจึงบอกว่า มี ถ้าอยากกินขนมให้ขึ้นรถเดี๋ยวพาไปซื้อ ด.ญ.เอ จึงเดินตามมาขึ้นรถมา
จากนั้นตนจึงพาไปยังบ้านร้างแล้วลงมือข่มขืน พยายามจะสอดใส่อวัยวะเพศประมาณ 10 ครั้ง แต่ไม่สำเร็จจึงหยุด ซึ่งขณะที่ทำเด็กก็ไม่ได้ร้องและไม่มีเลือดไหล พอตนหยุดก็ได้นำน้ำที่ถือติดตัวมาด้วยล้างอวัยวะเพศของตนเองแล้วพา ด.ญ.เอ มาส่งที่ถนนข้างโรงเรียน จากนั้นตนก็ขับรถกลับบ้าน ซึ่งไม่รู้ตัวเหมือนกันว่าเหตุใดจึงลงมือก่อเหตุเช่นนั้น
พ.ต.ท.ณัฐวุฒิ สีเสมอ สว.สส.สภ.เมืองหนองคาย กล่าวว่า ได้ตรวจสอบจากกล้องวงจรปิดทั้งของโรงเรียนและละแวกใกล้เคียง ประกอบกับตรวจสอบประวัติอาชญากรว่ามีใครเคยก่อเหตุลักษณะเช่นนี้หรือผู้ที่เพิ่งพ้นโทษมา ก็พบว่าข้อมูลใกล้เคียงกับนายอนุสรณ์ ซึ่งเพิ่งพ้นโทษคดีลักทรัพย์เมื่อวันที่ 1 ส.ค.ที่ผ่านมา รูปพรรณสัณฐานใกล้เคียง นอกจากมีคดีลักทรัพย์แล้วยังเกี่ยวข้องกับยาเสพติดด้วย จึงนำกำลังไปตรวจสอบที่บ้านก็พบนายอนุสรณ์นั่งเล่นอยู่ภายในบ้าน ส่วนพ่อแม่อยู่บ้านหลังใกล้กัน นำไปสู่การจับกุม เบื้องต้นเจ้าหน้าที่จะแจ้งข้อหาพรากเด็กอายุไม่เกิน 15 ปี ไปเสียจากบิดามารดา ผู้ปกครอง หรือ ผู้ดูแลไปเพื่ออนาจาร กระทำชำเราเด็กอายุไม่เกิน 13 ปี คุมตัวดำเนินคดีตามกฎหมายต่อไป