با توجه به اهمیت موضوع و با دستور و راهنمایی سرهنگ کارآگاه «جواد شفیع زاده» (رئیس پلیس آگاهی خراسان رضوی) این پرونده برای پیگیری‌های پلیسی در اختیار کارآگاهان اداره جنایی قرار گرفت چرا که احتمال ربایش یا قتل کودک بیشتر از فرضیه‌های وقوع حوادث ناخواسته و اتفاقی مطرح بود. به همین دلیل گروهی از کارآگاهان دایره مبارزه با آدم ربایی با نظارت سرهنگ مهدی سلطانیان (رئیس اداره جنایی) وارد عمل شدند و در حالی به بازبینی دوربین‌های مدار بسته پرداختند که هیچ سرنخی از کودک مذکور دیده نشد. در حالی که خانواده «مهرسا» هنگام بازدید از یکی از دوربین‌های مدار بسته مدرسه‌ای در همان اطراف به ربودن دخترشان توسط دو نوجوان دوچرخه سوار مشکوک بودند اما بررسی‌ها در این باره نیز نشان داد که دوچرخه سواران پسر بچه ۶ ساله‌ای را با خود همراه کرده‌اند و این موضوع ارتباطی به گم شدن «مهرسا» ندارد.
در حالی که تحقیقات برای ردیابی دختر گم شده همچنان با فرضیه‌های متفاوت ادامه داشت، ساعت ۱۲:۱۵ ظهر روز گذشته، یکی از اهالی خیابان شهید شیری نژاد که در حال احداث ساختمانی پس از تخریب منزل کلنگی بود، جوشکاری را برای ادامه ساخت و ساز به داخل ساختمان برد اما ناگهان با کیسه سفیدرنگ مشکوکی روبه‌رو شد که درون ساختمان افتاده بود. وقتی آن را گشود، صحنه وحشتناکی مقابل چشمانش نمایان شد؛ جسد دختر خردسالی درون کیسه قرار داشت.
مالک ساختمان سراسیمه و هراسان با پلیس ۱۱۰ تماس گرفت و ماجرا را اطلاع داد. طولی نکشید که نیروهای کلانتری محل عازم خیابان شهید شیری نژاد شدند و با مشاهده جسد دختربچه‌ای با پیراهن سفید و شلوار قرمز رنگ مراتب را به بازپرس ویژه قتل عمد اطلاع دادند. مدتی بعد با حضور مقام قضایی و کارآگاهان اداره جنایی پلیس آگاهی خراسان رضوی در محل کشف جسد، مشخص شد که او همان «مهرسا» دختربچه گم شده است که از حدود چهار روز قبل جست وجوها برای یافتن وی آغاز شده بود.
پزشک قانونی که در محل ساختمان در حال احداث حضور داشت به دستور بازپرس «عارفی راد» جسد را معاینه کرد و علت مرگ را انسداد راه تنفسی (خفگی) تشخیص داد. بدین ترتیب با روشن شدن ماجرای قتل دختر ۳ ساله، تحقیقات برای شناسایی عامل یا عاملان جنایت ادامه یافت. بررسی‌های بیشتر بیانگر آن بود که جسد از یکی از منازل اطراف به داخل ساختمان مذکور پرت شده است. پس از آن که کارآگاهان در حضور مقام قضایی، منازل اطراف را مورد کنکاش قرار دادند، به منزلی رسیدند که کیسه‌های دیگری شبیه کیسه‌ای که جسد درون آن قرار داشت در گوشه‌ای افتاده بود. وقتی مشخص شد که صاحبخانه پسر مجرد ۲۵ ساله‌ای به نام «ایمان» دارد، فرضیه ارتکاب جنایت توسط این تک فرزند خانواده قوت گرفت چرا که پدر خانواده گفت: در روز گم شدن «مهرسا» به همراه همسرش به شهرستان رفته بودند و پسرشان به تنهایی در خانه بود. او ادامه داد: وقتی از شهرستان بازگشتم و موضوع را از اهالی محل فهمیدم برای پیدا کردن دختربچه، تصویر او را پشت شیشه خودروی تاکسی خودم نصب کردم تا به خانواده اش برای یافتن او کمک کنم!...
با انتقال متهم ۲۵ ساله به پلیس آگاهی، بازجویی‌های تخصصی از وی آغاز شد تا این که او لب به اعتراف گشود و به قتل دختر بچه ۳ ساله اقرار کرد. او در اظهاراتی تکاندهنده گفت: در یک کارگاه کولرسازی کار می‌کنم. آن روز عصر وقتی برای صرف ناهار به خانه بازمی گشتم درون گوشی تلفن همراهم فیلم‌های کوتاه و تصاویر مستهجن را تماشا کردم. زمانی که به در منزل رسیدم دختربچه را داخل کوچه دیدم و وسوسه‌های شیطانی به سراغم آمد. او را به قصد تعرض و به بهانه‌ای به داخل خانه بردم ولی همچنان سروصدا می‌کرد. تصمیم گرفتم او را در کوچه رها کنم اما وقتی به داخل کوچه نگاه کردم، رهگذرانی حضور داشتند که می ترسیدم با سروصدای دختربچه متوجه ماجرا شوند، به همین دلیل دخترک را به پشت بام بردم. او هنوز جیغ می‌کشید و سروصدا به راه انداخته بود که ناچار شدم برای جلوگیری از فریادهایش گلویش را فشار بدهم. در این هنگام بود که فهمیدم او دیگر نفس نمی‌کشد. خیلی ترسیده بودم، برای آنکه کسی متوجه‌این ماجرا نشود یکی از کیسه‌های سفید را از پشت بام برداشتم و جسد دختر خردسال را درون آن گذاشتم و سپس کیسه حاوی جسد را به داخل ساختمانی انداختم که همسایه در حال ساخت آن بود.
«ایمان- ت» (متهم این پرونده جنایی) در حالی با دستور قاضی «عارفی راد» برای تشخیص سلامت روانی به پزشکی قانونی معرفی شد که هیچ گونه آثار ظاهری از تجاوز روی پیکر دختر بچه وجود نداشت . شایان ذکر است، پدر و مادر متهم که در همسایگی خانواده مقتول سکونت دارند هنگامی‌که متوجه شدند تک فرزند آنان به اتهام قتل دختربچه همسایه دستگیر شده است، از شدت ناراحتی و شرمندگی فقط اشک می‌ریختند. تحقیقات بیشتر درباره ادعاهای متهم و همچنین زوایای پنهان این جنایت دردناک ادامه دارد و گروه تخصصی از کارآگاهان بازجویی‌ها را به سرپرستی سرهنگ ولی نجفی (رئیس دایره قتل عمد آگاهی) آغاز کرده‌اند.