ก่อนการจับกุมประมาณ 1 สัปดาห์เจ้าหน้าที่ได้รับเบาะแสจากพลเมืองดีว่าประสิทธิชัย เขาแก้วเป็นผู้ต้องสงสัยมากที่สุด ซึ่งเมื่อเจ้าหน้าที่นำตรวจสอบรายชื่อผู้ครอบครองอาวุธปืนยี่ห้อเดียวกับที่คนร้ายใช้ก็พบว่าพ่อของประสิทธิ์ชัยซึ่งเป็นตำรวจนอกราชการ เป็นผู้ครอบครองปืนและได้เชื่อมโยงหลักฐานต่าง ๆ ว่าประสิทธิ์ชัยเป็นคนร้าย พลตำรวจเอกจักรทิพย์ ชัยจินดาได้ให้พนักงานสอบสวนของกองปราบไปรวบรวมหลักฐานเพื่อขอหมายจับจากศาลอาญาโดยไม่ให้ข้อมูลรั่วไหลไปและศาลอาญาได้ออกหมายจับประสิทธิชัยเมื่อวันที่ 21 มกราคม พ.ศ. 2563 หลังศาลออกหมายจับพลตำรวจโทจิรภพ ภูริเดชได้สั่งการให้พลตำรวจโทวิจักขณ์ ตารมย์นำเจ้าหน้าที่ชุดหนุมานกองปราบไปตามแกะรอยประสิทธิ์ชัยจนทราบที่พักของประสิทธิชัยและทราบว่าประสิทธิชัยจะขับรถไปสอนหนังสือที่โรงเรียนวัดโพธิ์ชัยในช่วงเช้าของวันที่ 22 มกราคม เมื่อช่วงเช้าของวันที่ 22 มกราคม พ.ศ. 2563 เจ้าหน้าที่ชุดหนุมานกองปราบพร้อมกับอาวุธครบมือได้เฝ้าสังเกตกาณ์ประสิทธิ์ชัยก่อนจะเห็นประสิทธิ์ชัยขับรถยนต์บีเอ็มดับเบิลยูสีดำ ซีรีส์ 5 เจ้าหน้าที่จึงสะกดรอยตามรถของประสิทธิชัยจนถึงบริเวณทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 311 ที่ตำบลท่าวุ้ง อำเภอท่าวุ้ง จังหวัดลพบุรีแล้วแสดงตัวจับกุมซึ่งประสิทธิชัยไม่ได้ขัดขืนและพบกระสุนปืนขนาด 9 มิลลิเมตรในรถยนต์[24][25]