案发后，北京市公安局刑侦总队、海淀公安分局刑侦支队立即组成专案组。
根据侦查到的情况和线索，专案组侦查员立即对火车站等出京要道进行重点蹲守观察。与此同时，北京警方向铁路警方发出了缉拿两名嫌疑人的协查通报。
1月5日夜里，宣武公安分局刑侦支队突然接到市局刑侦总队打来的电话，告知一对涉案男女正潜伏在宣武区。由于专案组人员已遍布在各个嫌疑人可能隐藏的地点，在刑侦总队的协调下，宣武刑警连夜集结增援。当晚，宣武刑警在宣武区虎坊桥附近一家网吧内将一男一女两名嫌疑人抓获。
专案组人员随后又辗转海淀、朝阳等地，陆续抓获另外几名嫌疑人。1月6日晚，专案组人员将两名乘火车逃往东北但被铁路警方抓获的嫌疑人押解回京。
据悉，被抓获控制的嫌疑人中包括5名直接参与劫案人员和几名涉嫌包庇人员，其中包括一名在万霖购物广场一层工作过的嫌疑人。
据调查，万霖购物广场一层女卫生间的窗户常年不关，嫌疑人正是利用这一漏洞蒙面持械进入商场，在对值班内保人员捆绑之后，劫走首饰。
