排查
集宁区公安局立即成立了以乌兰察布市公安局副局长兼集宁区公安局局长周瑞生挂帅的“9.26”专案指挥部，动员全局各警种参与破案。侦查员们从查找遇害者的身份入手，通过提取张女士亲属的血样，证明遇害者正是失踪的张女士。侦查员们经过调查了解到，张女士为人厚道，在生意上没有与人结怨，而且生活作风正派，家庭和睦，从而排除了仇杀和情杀的可能性。
侦查员们决定走访张女士回家沿线的居民和商户。有人反映，9月22日下午，有人见过一个顶着雨伞、穿着红色上衣的女子在马路上打了一辆白色出租车走了，而这个女子与张女士失踪当天的穿着相似。于是，侦查员们又顺着这条线索向集宁区所有开白色出租车的司机了解情况，但是均无疑点。
告破
11月3日，“9.26”专案指挥部决定动用各种手段扩大侦查范围，终于在11月7日上午获得了有关“9.26”特大碎尸焚尸杀人案犯罪嫌疑人的线索。犯罪嫌疑人叫张某某，男，24岁，兴和县团结乡台基庙村委会小城子村人，现暂住在集宁城区。随后，侦查员们开始秘密地在整个城区内搜寻张某某，但是，一整天过去了也不见其踪影。11月9日10时许，张某某终于在红楼菜市场附近被抓获。至此，集宁区“9.26”特大碎尸焚尸杀人案宣告破获。
经过审讯，犯罪嫌疑人张某某供述，2006年1月，他从兴和县来到集宁区，用他父母给的5万元钱在红楼菜市场西边建设街的东侧租了一间房子，开了一家名叫回头客的小饰品商店，由于经营不善，赔多赚少还欠了不少钱，为此，他总思谋着如何搞到钱。9月21日18时许，一个素不相识的中年妇女单独走进他的商店，挑选了一枚发卡，付了钱。就在这名中年妇女拉开钱包取钱时，他看见钱包里装着一叠百元钞票，就萌生了抢劫的念头。就在这名中年妇女转身要走出店门之际，他用胳膊卡住她的脖子，把她拖回了里屋掐昏，之后准备实施强奸，但是，中年妇女躺在地上拼命挣扎，张某某害怕别人发现，就杀了她。之后，他从中年妇女的钱包里翻出了650元现金和一部诺基亚手机，又摘下中年妇女手指上的铂金戒指装入自己的衣兜。做完这些，他锁好商店的卷帘门，来到南站广场北边的一家商店买了两只编织袋，又去建桥路南侧的一家土产门市部购买了手锯、尼龙绳子、塑料布后，返回到他的小饰品商店里，用手锯肢解了中年妇女的尸体。因为锯不开，张某某放弃了继续肢解，转而把尸体弯成蹲曲状，装入了编织袋中。等待路灯熄灭后，他用电动自行车驮着尸袋来到了城东环城路西的荒山坡抛下了尸袋。为了避免有人发现尸体后认出，他浇上汽油点火焚尸。
张某某说，按照他的推断，他与被害人从不认识，而且也没有人知道他和被害人有过接触，警察破案时根本不会找到他的头上，但是，他现在才知道他的想法太荒谬了。
