沅陵县公安刑侦大队接警后立即将该案件向县局领导汇报，局长汤立武、政委谢久文高度重视，立即成立以县局刑侦大队牵头30余人的专案组赶赴现场开展侦查工作。并向沅陵县委县政府汇报。怀化市公安局接报后，局长冯卫俭高度重视，即派市局常务副局长杨学文率刑侦支队长等10余名同志赶赴沅陵现场，协助案件侦破指导工作。
市、县二级刑侦部门赶到现场后，一方面技术人员对现场和尸体进行仔细的勘察和检验，另一方面专案组以现场为中心向四周辐射分为七组开展调查摸排工作。因现场凌乱复杂且犯罪分子手段极其残忍，技术人员对现场反复勘察和尸体检验。
根据专案组外围调查获悉，死者为母、女、子三人，该案件为一起杀死三人的恶性案件。通过专案组细致的侦查工作，一方面紧紧围绕死者周某最后活动轨迹开展摸排工作，通过工作最后确定死亡时间为7月6晚至7月7日天亮前;另一方面以现场为中心辐射定时定位开展排查工作;其次紧紧围绕死者周某交往关系，重点是奸情关系开展排查工作。
短短三天时间专案组先后调查群众3000余人，摸排线索上百条，最终查出了与死者有不正当关系的另一位不明身份男性系刘某，辰溪县石马溪乡人，现在沅陵县用坪乡双炉村矿山打工。通过调查、摸排出刘某具有作案时间、动机，最后确定刘某有重大作案嫌疑。
7月19日凌晨24时，专案组在沅陵县用坪乡抓获刘某后审讯，刘某交待了自去年在辰溪与死者认识后深深不能自拔，经常给死者钱物，今年5月后，死者欲提出与刘某分手，并又得知死者与其村万某有不正当关系，便死死纠缠死者，死者经常以各种理由拒绝接听刘某电话和短信，刘某恼羞成怒，今年7月6凌晨刘某窜至死者家中，将其家中三人杀死，并将两个小孩尸体抛入其厨房水缸。为掩盖其罪行，延缓发案时间，又用死者手机给与死者有奸情关系的万某发了信息，然后又用弹子锁从外锁住的犯罪事实。
