이 사건을 저지른 김홍일(1986년생)은 2008년에 두 자매의 부모가 운영하는 주점에서 5개월간 아르바이트를 하던 인물이었다. 사건이 발생한 직후 경찰 수사가 이루어졌으나 범인의 신원이 확보되지 않아 결국 공개수사로 전환되면서 실명이 알려지고 결국 전국에 지명 수배를 받게 되었다. 그 후로 사건 발생 55일이 지난 2012년 9월 13일 기장군 일광면 용천리의 마을 도로변에서 주민의 신고를 받고 출동한 경찰은 기동 타격대 등을 동원하여 인근의 함박산 야산을 수색한 끝에 은신해 있던 범인 김홍일을 검거하였다.

검거 당시 현장을 확인한 결과, 수색이 벌어졌던 함박산 일대에서 50여 일간 숨어 살던 김홍일은 36개의 캔커피와 31병의 생수, 캔 사이다 2개 등의 생활 필수품을 가지고 지내왔던 것으로 밝혀졌다. 조사 결과 범인 김홍일은 피살된 자매 중에서 2010년부터 사귀어 온 맏이가 최근 결별을 통보한 데 격분해 이 같은 범행을 저지른 것으로 주장하였으나 새로 밝혀진 사실로는 자매 중 어느 누구와 사귄 적도 없고, 일방적인 스토킹과 망상으로 살인을 저질렀다는 게 수사 중에 밝혀졌다.
김홍일은 자신이 살인한 자매 중 언니와 언제부터 사귀었다고 했나?
2010년