查清死者身份後，辦案人員確定了兩個偵查方向，一是仇殺，二是情殺。柳海平的前夫首先成爲懷疑對象，但在其家中，專家並未發現炸藥痕跡。其上司也確認，他沒有作案時間。經測謊，排除他作案的可能。

　　死者親屬反映，此案可能與段義和有關，但沒有直接證據。

　　7月10日，民衆反映，有人看見爆炸發生後，一個可疑者鑽進一輛警車迅速離開現場。10日晩，辦案人員對陳志所用警車進行微量物證檢驗，發現陳志有重大嫌疑。

　　做賊心虛的陳志，7月11日一上班聽説警方對其警車進行了檢驗，馬上請假走了。

　　辦案人員很快將砸毀並丢棄在垃圾桶裡的遙控器和手機找到，經過檢驗和復原，確定了陳志作案的可能。辦案組決定抓捕陳志。而陳志這時已到靑島，購買了7月12日飛往香港的機票。11日晩，警方將陳志從靑島抓捕歸案。從爆炸案發到主要嫌疑人落網，只用了48小時。

　　警方還從死者家找到一張她與段義和很親密的照片。另外，死者手機內信息顯示，她與段義和有過長時間的電話和短信聯繫。但僅憑這些還不能認定段義和有作案嫌疑。

　　7月12日上午，正當段義和主持召開濟南市小清河治理工作現場會時，陳志供出爆炸案背後主謀是段義和，目的是殺人滅口。

　　7月13日下午，段義和在辦公室被警方帶走。

　　兩小時後，段義和便書面承認自己涉嫌爆炸罪。另外，段義和還主動交代了有關機構並沒有掌握的受賄犯罪，並把向他行賄的人員列出了一個詳細名單。

　　有關機構對段的辦公室和在濟南的各個住所進行了詳細搜查，共搜出現金600多萬元。