Au même moment, le police de Montréal (SPVM) est appelée dans le secteur de Côte-des-Neiges par un concierge, pour y découvrir un tronc humain. Dans la nuit, la police de Montréal, la police d'Ottawa et la Gendarmerie royale du Canada (GRC) établissent que tous les membres appartiennent au même individu et découvrent la scène du crime près de l'endroit où le tronc a été retrouvé. L'enquête est confiée aux enquêteurs du module des crimes majeurs du Service de police de la ville de Montréal, qui travaillent en collaboration avec la GRC. ils font appel à l'expertise du FBI pour tracer la vidéo du crime mise en ligne le vendredi 25 mai 2012. Le SPVM identifient rapidement le suspect comme étant Luka Magnotta et émettent un mandat d'arrêt pan-canadien qui lance une chasse à l'homme d'envergure nationale.

Au 30 mai, la police n'a pas réussi à identifier la victime (identifiée quelques jours plus tard comme étant Patrick Jun, un étudiant chinois de 33 ans originaire de Wuhan enChine), ni à retracer tous les morceaux du corps. Selon le quotidien La Presse, une note accompagnait le colis livré au Parti conservateur dans la quelle y est annoncé que d'autres morceaux de corps ont été envoyés par la poste et que l'auteur a l'intention de tuer à nouveau. La police travaille avec Postes Canada pour retrouver, en vain, les membres manquants.

Le mardi 5 juin 2012, un colis contenant un pied humain a été livré à la St. George's School et un autre contenant une main humaine est livré au Conseil scolaire deVancouver. Il n'est pas encore déterminé pourquoi ces colis ont été envoyé à dans ces différents lieux. Le mercredi 6 juin 2012 la de police de Montréal découvre que L. Magnotta a séjourné durant une période indéterminée à Vancouver et qu'il y a loué un appartement sous l'un de ses surnoms. Il est également révélé que L. Magnotta fait une courte apparition dans un film pornographique amateur de 2003 intitulé Street Bait 996: Luka, tourné justement à Vancouver.

La tête de la victime n'a toujours pas été retrouvée. La police n'exclut pas que Luka Rocco Magnotta ait posté la tête de sa victime vers son pays d'origine, la Chine, dans un ultime coup de théâtre morbide. (Clin d'oeil à la scène finale du film de David Fincher, Seven?)