捜査本部は、最後の乗客が支払いをめぐるトラブルで高橋さんを刺して、逃げたとみて捜査。ノンストップ料金収受システム(ETC)やNシステム(自動車ナンバー自動読み取り装置)などのデータを分析した結果、最後の客がJR品川駅付近で乗車した可能性が高いことが分かった。
凶器の包丁は刃渡り20センチで、犯人が護身用か何らかの目的で所持していたとみて調べている。米軍側は横須賀市に、脱走した米兵が高橋さん殺害事件に関与した疑いがあると連絡していた。