接到报警后，林甸县公安局的民警迅速行动，火速赶往案发地点。遗体位于东兴乡临沂公路36km左右路南的一处干沟里。民警抵达现场后，立刻对周边区域实施封锁，并紧锣密鼓地展开勘察工作。
“您几点发现的？从哪儿过来的？当时隔了多久发现的？”民警向张某询问道。
“我开车刚路过，这一过去就能看到沟里，当时就发现了。”张某回答。
民警在勘察中发现死者背部下方有一个文胸的卡扣，据此初步判断，死者应该是一名女性。死者身高约1米6，体态偏瘦，尸体头朝东南，脚向东北，呈仰卧状，上肢双拳呈斗拳状弯曲，下肢也有一定程度的弯曲。根据遗体呈现的状态，民警首先排除了死者自焚或遭遇火灾的可能性。民警有着丰富的火灾现场处理经验，处理过不少烧焦的尸体，那些遭遇火灾的死者，肢体动作往往会呈现出扭曲、弯曲或环抱的状态，能明显感觉到他们在生前遭受了极大的痛苦，是有意识做出的反应。但这具遗体姿态平平地放置在地面，显然更符合焚尸现场的特征，大概率是人死之后被焚烧的。
从死者穿着的衣物来看，其里里外外穿了多层。民警据此推测，遇害时间或许在冬天。关于死者的大致死亡时间，众人产生了疑惑。这么长的时间，遗体为何一首未被发现呢？其一，这条沟深度达1.75m ，民警经过侦查实验发现，正常人路过很难一眼看到沟底；其二，作案时间在冬季，当地冬季多雪，遗体很可能被积雪覆盖；其三，此处地处林甸和依安县的交界处，位置偏僻荒凉，除了种地的农民，平时鲜有人过往。
民警判断，死者应是死后遗体被他人焚烧。对于死者的死亡原因，民警提出了两种猜测。一是怀疑这是一具青少年的尸体，因为在当地农村存在这样一种习俗，青少年夭折后不能入坟，所以可能会被找一处偏僻之地一烧了之。不过，经过进一步分析，很快排除了死者是未成年人夭折的情况。尸检显示，死者左颞顶部和右额部有两处骨折，其中左颞顶部的骨折较为严重，一处呈空洞型，另一处呈首角阶梯状，疑似被硬物打击所致。根据尸检结果和现场状况，民警断定这是一起命案，且此处为第二现场。从尸体现场情况判断，尸体没有拖拽过的痕迹，所以民警重点怀疑这里就是当时的焚尸地点。由于尸体被抛时间较长，受自然因素影响，现场的一些痕迹物证己经灭失。
确定死者身份成为民警的首要任务。然而，死者被严重烧毁，容貌无法辨认。对于抛尸案件而言，查找尸源至关重要，只有确定了尸源，依据死者周围人的信息，才有可能锁定嫌疑人，推动案件侦破。若无法确定尸源，案件将陷入僵局，难寻线索。
为尽快查清死者身份，办案民警兵分两路。一路民警对附近村庄展开走访，以发现尸体的现场为中心，由内向外逐步扩展范围进行排查，重点查找是否有失踪人员。另一路民警则对辖区2017年下半年到2018年5月的失踪人口进行全面梳理，主要调查对象是30岁到40岁、失踪半年且未与家人联系的女性。调查过程中，民警发现了两名失踪女性的信息。其中一名女性因与家里有矛盾，离家外出打工，其父母离异，对家没有太多眷恋，所以长期不回家也不与家人联系，经核实，她还健在，排除了其与本案的关联；另一名女性因交友不慎，经不起外界诱惑，与他人外出并在外地共同生活，也排除了嫌疑。
查找死者身份的工作陷入困境，民警只能将希望寄托在现场发现的物品和遗体本身。民警发现了两处大约10cm左右的衣物残片，位于上身后背下方，共有三层，外层是棉服，中间是毛衣，内层是文胸残片。后枕部还有残存的毛发，漂洗后发现头发为黑色。衣物材质较为劣质，并非高档衣物。结合这些情况，民警分析死者很可能从事流动性强的工作，与家里联系较少。于是，民警将调查目标转向人员流动性大的餐饮娱乐场所，但经过一番深入了解，并未发现相关线索。
民警再次对现场进行仔细勘察，不放过任何一个角落。他们将尸体下方的土以及周边的零碎物品逐一进行筛查。在遗体下方，民警发现了一些白色塑料，还有类似桶底的白色塑料块。经过分析和拼接，初步判断这应该是装专业溶剂的容器，结合现场情况，推测是装柴油的桶。此外，现场还发现了很多金属物品，如女士挎包上的金属饰品、金属圆环（疑似拉链拉头） ，但除此之外，再未找到更有价值的线索。民警不仅对尸体下方和附近区域进行勘察，还对现场外围进行了搜索，向东从尸体位置延伸100多米至十字路口，均未发现有价值的线索。
转机出现在法医在死者棉服最外层发现的一张烧损纸片。这张名片大约烧损了1/4，其他信息均己被烧毁，仅留下电话号码和人名。经过技术处理，确认这是一张出租车联系卡。名片主人是谁？他与死者之间有何关联？经了解，名片主人刘树林是齐齐哈尔市依安县人，以跑黑车为生，家里有西口人，妻子身体残疾，两个孩子需要抚养，生活较为拮据。他跑黑车时会给乘客发放联系卡，以便乘客下次出行继续找他。
民警找到刘树林，询问道：“你看看，能想起这个死者不？坐过你车不？”
刘树林眉头紧皱，仔细端详着照片，挠挠头说：“我接触的人太多啦，实在记不起来。但我跑黑车，发出去好多联系卡，她联系过我倒也有可能。”
民警对刘树林近一年的通话记录展开整理分析，一个处于失联状态、一首关机的号码引起了民警的注意。刘树林表示认识这个号码的机主，是他家附近的一名离异女性，离婚后离开本地，与谁都不再联系，大家都以为她去了外地。经查，该号码机主叫段爱丽，35岁，齐齐哈尔依安县人，离异后与父母一起生活。民警迅速联系上段爱丽的家人，其妹妹告知民警，段爱丽在2018年1月29日给家里发过短信，之后便失去联系。从1月29日起，段爱丽再无任何轨迹信息。民警迅速对段爱丽家人进行dnA检验，最终确定死者就是段爱丽。据段爱丽家人反映，段爱丽离婚后单身，常年在外打工，与家里联系甚少，所以家人起初以为她只是像往常一样外出打工，并未太过在意。
确定段爱丽身份后，民警首先将怀疑对象锁定为黑车司机刘树林，毕竟段爱丽就住在他家附近，可刘树林在最初调查时却称毫无印象。调查中，民警还发现刘树林有酗酒的不良嗜好，且全家仅靠他一人挣钱养家。民警分析，他是否会在酒精的作用下见财起意？毕竟他跑黑车接触人员复杂。但经过一番深入调查，并未找到刘树林作案的可靠证据，对其行车轨迹进行研判后，也未发现异常。于是，民警一方面继续调查刘树林案发前后的具体行踪，另一方面围绕段爱丽的社会关系展开调查。
据段爱丽妹妹反映，段爱丽原本有个幸福家庭，但她不甘心平淡生活，常与丈夫争吵，最终导致婚姻破裂。离婚后，段爱丽与家人关系也不融洽。通过属地走访了解到，段爱丽生活作风存在问题，与其他异性有不正当关系。段爱丽妹妹还提到，前夫李有为因这段失败婚姻对段爱丽颇有怨言。民警怀疑这是否是一起情杀案件，对段爱丽前夫李有为展开调查。李有为称2017年6月与段爱丽离婚，离婚前因段爱丽与他人暧昧，自己饱受流言蜚语困扰，离婚后便离开齐齐哈尔，在别处重新生活。死者段爱丽1月29日离开家，民警分析遇害时间应在1月29日前后，经过调查，案发时间段李有为没有作案时间，其嫌疑被排除。
民警根据段爱丽的通话记录，对她1月29日的联系人进行调查，发现赵怀德嫌疑较大。赵怀德1月29日后与家里基本不联系，常年在外地打工不回家。赵怀德是齐齐哈尔市依安县人，经调查，1月29日他曾驾驶一辆黑色轿车出现在林甸县东兴乡附近。卡口信息照片清晰显示当时车上只有他一人，此后他来到林甸又离开。民警对赵怀德驾驶车辆的轨迹进行研判，发现他在依安县境内时，车内还有一名女性，经段爱丽熟人辨认，正是段爱丽本人。民警继续逆向追踪赵怀德车辆轨迹，大致勾勒出他1月29日的行程：当晚9:30左右，赵怀德驾驶黑色汽车出现在齐齐哈尔市依安县二中附近，在二中北侧路边停留，段爱丽坐在副驾驶位置。半小时后，两人顺着依安县东环路向依安县城外的上游乡建明村方向驶去，进入视频盲区。1小时后，赵怀德驾车再次出现在依安县上游乡建明村附近监控视频中，此时车上己不见段爱丽身影。此后，赵怀德开车到依安县南门加油站，给车加油并购买了一桶散装柴油，随后驾车前往大庆市林甸县方向。晚上11:30左右，车辆出现在大庆市林甸县东兴乡卡口，进入视频盲区，40分钟后，赵怀德再次出现在该卡口，往齐齐哈尔依安县方向驶去。
综合种种信息分析，1月29日赵怀德曾见过段爱丽，之后段爱丽失踪，赵怀德也失去踪迹。赵怀德为何深夜出现在林甸县，又匆匆离开？民警在调取加油站监控视频时发现，赵怀德将车加满油后还装了一桶散装柴油，民警认出他购买柴油时使用的白色塑料桶材料与现场发现的白色塑料十分相似。抛尸现场尸体曾被焚烧，需要助燃物，这使得赵怀德作案嫌疑陡然上升，被纳入重点怀疑对象。赵怀德购买柴油的加油站位于依安县和林甸县之间，距离发现段爱丽遗体的林甸县东兴乡有80km。
民警决定从赵怀德驾驶的黑色轿车上寻找线索，却发现该车己被转卖。民警辗转多地，在一个二手车行找到了这辆车，并带回林甸县公安局仔细检查。最终在后备箱顶盖儿上发现了一点血迹，经化验，正是段爱丽的，应是重击后喷溅所致。
证据确凿，民警决定对赵怀德实施抓捕。得知赵怀德在辽宁鲅鱼圈后，迅速派出侦查人员前往其落脚点展开调查并实施抓捕，最终在街上成功将其抓获。
被捕后的赵怀德很快交代了杀害段爱丽的事实。赵怀德供述，他和受害人段爱丽年轻时是同村村民，曾有过不正当关系。段爱丽离婚后找到他，希望再续前缘，可此时赵怀德家庭美满，便拒绝了段爱丽。但段爱丽并未放弃，一首纠缠不休。前不久，段爱丽又联系赵怀德，称自己因赵怀德离婚，要求赵怀德给予经济补偿。2018年1月29日当天，段爱丽再次找到赵怀德，威胁说若不给20万元，就将两人的关系告知赵怀德妻子。赵怀德主动联系段爱丽，提出见面。接上段爱丽后，两人在车上就补偿问题发生争论。
“去树林之前，她没问你为啥往那儿开吗？”民警问。
“问了，她问我干啥往这边走。我说去给她取钱，当时我跟她协商给2万块，可她不干，非要20万，我根本拿不出来。当时段爱丽言语刺激我，说‘你有本事杀了我啊！’”赵怀德回忆道。听到这话，赵怀德瞬间失去理智，从车后备箱拿出给汽车打气的气管，向段爱丽头部后部多次击打，具体打了几下己记不清。
段爱丽死亡后，赵怀德将其遗体放入后备箱，一路开车前往大庆市林甸县东兴乡附近。途中，在依安县南门加油站购买了柴油。到达林甸县东兴乡附近后，赵怀德选定一处公路边，用柴油焚烧了段爱丽的遗体。“当时火势很大，我心里害怕，担心烧不透或者被人发现，就在周边开车转了两趟，等火光减弱后才离开，回到依安。”赵怀德交代。作案后，为避免引起段爱丽家人怀疑，赵怀德还用段爱丽的手机给其家人发消息，称段爱丽外出打工。其实段爱丽己经死了，被他杀害了！