การสืบสวนและสอบสวนในคดีเหตุฆาตกรรมของโทโมโกะตกเป็นของสถานีตำรวจภูธรจังหวัดสุโขทัย[12] ผู้บัญชาการตำรวจภูธรจังหวัดสุโขทัยในขณะนั้น ศิรินทร์ ผดุงชีวิตร์ กล่าวว่าการสืบสวนและสอบสวนอาจเป็นไปได้อย่างล้าช้าเนื่องจากผู้ก่อเหตุไม่ทิ้งหลักฐานพยานวัตถุใด ๆ ไว้ในที่เกิดเหตุเลย[11] ยกเว้นเนื้อเยื่อที่พบในซอกเล็บของโทโมโกะ[7][11][13] จนได้ยุติการสืบสวนและสอบสวนไว้ชั่วคราวในปี 2552[14] แต่ต่อมากรมสอบสวนคดีพิเศษ กระทรวงยุติธรรมได้รับเป็นคดีพิเศษหลังคำขอของกระทรวงการท่องเที่ยวและกีฬาในปี 2556[5]

ในปี 2556 หลังการโอนคดีมาเป็นของกรมสอบสวนคดีพิเศษ เจ้าหน้าที่ได้พยายามติดตามหากล้องถ่ายรูปดิจิทัลของโทโมโกะที่หายไปจากกระเป๋าห้อยคอของเธอ โดยการประกาศรับซื้อกล้องถ่ายรูปรุ่นเดียวกันกับที่เธอมี หรือการติดต่อโรงรับจำนำในพื้นที่เพื่อขอซื้อ ก็ไม่พบกล้องถ่ายรูปของโทโมโกะ[12] การสืบสวนและสอบสวนจึงดำเนินต่อไปแต่ก็ยังคงไม่พบผู้ต้องสงสัย กรมสอบสวนคดีพิเศษจึงยุติการสืบสวนและสอบสวนชั่วคราวในปี 2559[15]

ในวันที่ 16 ตุลาคม 2562 สมศักดิ์ เทพสุทิน รัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรม กล่าวว่าเจ้าหน้าที่ได้จำกัดวงรัศมีในการค้นหาผู้ต้องสงสัย 200 เมตรจากจุดที่ค้นพบร่างของโทโมโกะ โดยผู้ที่อยู่ในวงรัศมีนั้นจะถูกเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอเพื่อนำไปเทียบกับวัตถุพยาน แต่ก็ไม่พบผู้ต้องสงสัย[16] ขณะที่พนักงานสอบสวนคดีพิเศษได้มีการนัดสอบปากคำพยานที่ให้ข้อมูลว่าเคยได้ยินบุคคลในฟาร์มหมูพูดถึงการนำมีดเล่มหนึ่งแทงคนอื่นเสียชีวิตมาก่อน เมื่อเดินทางไปตรวจสอบฟาร์มหมูดังกล่าวพบว่าได้ปิดกิจการไปแล้ว[17] ส่วนผู้ต้องสงสัยดังกล่าวก็พบว่าได้เสียชีวิตลงเมื่อปี 2553 และเมื่อตรวจสอบดีเอ็นเอก็ไม่ตรงกันกับที่พบบนร่างของโทโมโกะ[13] เมื่อหวังจะสกัดดีเอ็นเอจากกระดูกก็ไม่สามารถทำได้เนื่องจากศพถูกเผาในอุณหภูมิกว่า 900 องศา[18] เจ้าหน้าที่จึงตัดสินใจเก็บดีเอ็นเอของพี่สาวและลูกชายของผู้ต้องสงสัยแทน[19]

จวบจนถึงวันที่ 2562 ได้มีการเก็บตัวอย่างดีเอ็นเอชาวไทยไปแล้วกว่า 400 คน และได้ขยายรัศมีในการค้นหาจาก 200 เมตรเป็น 938 เมตรตามที่มีผู้แจ้งเบาะแสเกี่ยวกับผู้ต้องสงสัย[14][20] กรวัชร์ ปานประภากร อธิบดีกรมสอบสวนคดีพิเศษเปิดเผยในงานแถลงผลการการตรวจดีเอ็นอีที่คาดว่าจะเกี่ยวข้องกับผู้ก่อเหตุว่าไม่พบดีเอ็นเอ็นของชาวไทนที่ตรงกับขอบกางเกงหลังของโทโมโกะ ผู้อำนวยการสถาบันนิติวิทยาศาสตร์กล่าวว่าดีเอ็นเอ็นบนขอบกางเกงของโทโมโกะตรงกับกลุ่มประเทศ 7 กลุ่มได้แก่ ออสโตร-เอเชียติก เอสโตเนียน ดราวิเดียน อินโด-แปซิฟิก เจแปนิส โคเรียน และไทเคได[14][15] สมศักดิ์ เทพสุทิน รัฐมนตรีว่าการกระทรวงยุติธรรมกล่าวเพิ่มเติมว่าดีเอ็นเอที่พบบทกางเกงของโทโมโกะนั้นไม่ได้มีความสมบูรณ์ จากโครโมโซมของมนุษย์ที่มีอยู่ 23 คู่ สามารถเก็บได้อย่างสมบูรณ์อยู่ 3 จุด ขณะในส่วนที่เหลือเก็บได้ไม่สมบูรณ์ อีกทั้งยังพบดีเอ็นเอของบุคคลอื่น ๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับคดีซึ่งอาจมาจากการสัมผัสกับบุคคลเหล่านั้น[20] โทโมยูกิ ฟูจิยามะ หัวหน้านายตำรวจญี่ปุ่น[21] ในฐานะผู้แทนสถานเอกอัครราชทูตญี่ปุ่นประจำประเทศไทยกล่าวขอบคุณรัฐบาลไทยและจะร่วมมือในการสอบสวนต่อไป ส่วนในกรณีของชาวญี่ปุ่น 1 คนที่เป็นผู้ต้องสงสัยซึ่งได้เดินทางกลับประเทศญี่ปุ่นไปแล้วและปฏิเสธในการให้ความร่วมมือ กรวัชร์กล่าวว่าเรื่องดังกล่าวได้ตกเป็นของรัฐบาลญี่ปุ่นในการบังคับใช้กฎหมายภายในประเทศและได้มีการประสานงานไปทางตำรวจสากลแล้วด้วยเช่นกัน[15] การที่ผลพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ได้ออกมาว่าผู้ก่อเหตุนั้นไม่ใช่คนไทย สมศักดิ์จึงมีความเห็นให้ปิดคดีและส่งต่อไปยังหน่วยงานที่เกี่ยวข้องในประเทศญี่ปุ่น โดยให้เหตุผลอีกว่าการสอบสวนในประเทศไทยนั้นสมบูรณ์แล้ว[22]