当天中午12时20分，寻找女儿未果，娜娜的父亲焦某急忙报案。周至县警方迅速成立专案组侦查，同时组织四五十名村民协助寻找被绑架的孩子。20多分钟后，在鹿马村外的一个猕猴桃果园的小路上，民警和村民们发现了绑匪在娜娜的拼音本上留下的敲诈勒索信，并留有一个邮政储蓄账号。
　　
　　此信是直接写给娜娜的父亲焦某的，其内容为：
　　
　　“你已经知道我是谁了。我现在急需要钱，你女儿我也不想伤害，你赶今天（即4月26日）下午3点以前，给我这个账号汇上两千到三千元钱。我只说这一次，到时候要是拿不到钱的话，我就不敢保证你女儿（的安全）了。记住，你最好在下午2：30前汇到……希望你能明白事情。我即（既）然敢这样，我就什么都不会怕的。”
　　
　　经半个小时的侦查，根据目击者和账户查证，专案组锁定与娜娜同村且同住一条巷子的邻居22岁小伙子李军具有重大作案嫌疑。
　　
　　敲诈得逞后再敲诈
　　
　　为协助警方尽快抓获李军，当天下午2时40分，焦某先给李军指定的账户上汇进2000元钱。10分钟后，李军从当地一个偏僻的邮政所取走1500元钱后失踪。有村民反映，曾在在开往西安的班车上见过李军。周至警方即赴西安。
　　
　　当晚8时57分，李军给焦某家打电话，让在4月27日上午11时前，再汇上3000元钱。其间，周至县警方确定李军在西安市边家村附近的水文巷出现，专案组侦查员在水文巷搜寻未果。
　　
　　见到孩子尸体，家人痛哭失声
　　
　　4月27日上午11时50分，李军再次给焦某家打电话，恐吓威胁焦家第二次给其账上汇钱。守候在焦家的民警立即将其所用电话号码通知在西安的侦查员。在西安市公安局有关部门支持下，警方确定李军准确位置并将其抓获。原来，他取出钱后逃到西安，在发廊理发并将发廊妹带回旅社嫖娼，还买了部旧手机。他第二次敲诈3000元钱，是准备逃到广州去的。
　　
　　根据疑犯李军交待，周至县警方在鹿马村北麦田中找到了被绑架的娜娜，孩子仰面躺着，脖子上仍打着死结，早已经停止了呼吸。娜娜的家人痛哭失声昏倒……
　　在周至县看守所，记者（以下简称记）见到了戴着手铐和脚镣的李军（以下简称李）。随着谈话的深入，他泪流满面不断叹息。
　　
　　记：你和娜娜很熟，怎么会这么做？
　　
　　 李：她叫我叔叔。4月25日，我身无分文，突然就想起以前看过的警匪电视剧里有绑架弄钱的事。我就想着模仿来绑架她弄点钱。她家家境比较好。我和她很熟，她平常叫我叔叔，容易得手。
　　
　　 记：那么可爱的小女孩，怎么下得了手？
　　
　　 李：4月25日那天没弄成。当晚，我住在村外猕猴桃果园的一个空屋子里。第二天上午放学，我就在她回家路上等着。孩子见我抱着她出村就哭。我当时没想太多，也没想后果，只想着咋样不让她哭，先捂嘴后用书包带子勒脖子。
　　
　　 记：你离开时，想没想救救孩子？
　　
　　 李（双手捂脸叹息）：我发现她不哭不喊也不动了，心里很害怕，只想着尽快逃跑。现在我很后悔，对不起小女孩，对不起她的家人。
　　
　　记：那么，你的家人呢？你现在最想谁？最想说啥话？
　　
　　李（泪流满面继而长叹）：我家人啥事都给我安排好了，这种方式我不能接受，我从小就很叛逆，初中毕业后一心想自己出去闯世界。唉！我性格内向，没有朋友，就常上网聊天。如果在案发前有人劝我，我就不会去继续做了。我最想我外婆，我对不起外婆的疼爱。我最想给同龄人说句话：与父母要多些沟通，少些叛逆，做事情要多考虑后果，不要像我一样，后悔都来不及了……