排查
集寧區公安局立即成立了以烏蘭察布市公安局副局長兼集寧區公安局局長周瑞生掛帥的「9.26」專案指揮部，動員全局各警種參與破案。偵查員們從查找遇害者的身份入手，通過提取張女士親屬的血樣，證明遇害者正是失蹤的張女士。偵查員們經過調查了解到，張女士為人厚道，在生意上沒有與人結怨，而且生活作風正派，家庭和睦，從而排除了仇殺和情殺的可能性。
偵查員們決定走訪張女士回家沿線的居民和商戶。有人反映，9月22日下午，有人見過一個頂着雨傘、穿着紅色上衣的女子在馬路上打了一輛白色出租車走了，而這個女子與張女士失蹤當天的穿着相似。於是，偵查員們又順着這條線索向集寧區所有開白色出租車的司機了解情況，但是均無疑點。
告破
11月3日，「9.26」專案指揮部決定動用各種手段擴大偵查範圍，終於在11月7日上午獲得了有關「9.26」特大碎屍焚屍殺人案犯罪嫌疑人的線索。犯罪嫌疑人叫張某某，男，24歲，興和縣團結鄉台基廟村委會小城子村人，現暫住在集寧城區。隨後，偵查員們開始秘密地在整個城區內搜尋張某某，但是，一整天過去了也不見其蹤影。11月9日10時許，張某某終於在紅樓菜市場附近被抓獲。至此，集寧區「9.26」特大碎屍焚屍殺人案宣告破獲。
經過審訊，犯罪嫌疑人張某某供述，2006年1月，他從興和縣來到集寧區，用他父母給的5萬元錢在紅樓菜市場西邊建設街的東側租了一間房子，開了一家名叫回頭客的小飾品商店，由於經營不善，賠多賺少還欠了不少錢，為此，他總思謀着如何搞到錢。9月21日18時許，一個素不相識的中年婦女單獨走進他的商店，挑選了一枚發卡，付了錢。就在這名中年婦女拉開錢包取錢時，他看見錢包里裝着一疊百元鈔票，就萌生了搶劫的念頭。就在這名中年婦女轉身要走出店門之際，他用胳膊卡住她的脖子，把她拖回了裏屋掐昏，之後準備實施強姦，但是，中年婦女躺在地上拼命掙扎，張某某害怕別人發現，就殺了她。之後，他從中年婦女的錢包里翻出了650元現金和一部諾基亞手機，又摘下中年婦女手指上的鉑金戒指裝入自己的衣兜。做完這些，他鎖好商店的捲簾門，來到南站廣場北邊的一家商店買了兩隻編織袋，又去建橋路南側的一家土產門市部購買了手鋸、尼龍繩子、塑料布後，返回到他的小飾品商店裏，用手鋸肢解了中年婦女的屍體。因為鋸不開，張某某放棄了繼續肢解，轉而把屍體彎成蹲曲狀，裝入了編織袋中。等待路燈熄滅後，他用電動自行車馱着屍袋來到了城東環城路西的荒山坡拋下了屍袋。為了避免有人發現屍體後認出，他澆上汽油點火焚屍。
張某某說，按照他的推斷，他與被害人從不認識，而且也沒有人知道他和被害人有過接觸，警察破案時根本不會找到他的頭上，但是，他現在才知道他的想法太荒謬了。
