เมื่อเวลา 13.00 น. วันที่ 19 ก.พ. ที่กองบัญชาการตำรวจนครบาล (บช.น.) พล.ต.ท.ภัคพงศ์ พงษ์เภตรา ผบช.น. พล.ต.ต.นิตินันท์ เพชรบรม รอง ผบช.น. พล.ต.ต.จิรพัฒน์ ภูมิจิตร รองผบช.น. พล.ต.ต.สำเริง สวนทอง ผบก.น.1 พ.ต.อ.ภิรมย์ สวนทอง รอง ผบก.น. 1 พ.ต.อ.บวรภพ สุนทรเรขา ผกก.สน.พญาไท พ.ต.อ.นิวัตน์ พึ่งอุทัยศรี ผกก.สส.บก.น.1 และเจ้าหน้าที่ตำรวจฝ่ายสืบสวน สน.พญาไท แถลงจับกุม นายดนุสรณ์ หรือเจ นุ่มเจริญ อายุ 28 ปี พร้อมด้วยตรวจยึดของกลาง อาวุธปืนยี่ห้อโคลท์ .45 จำนวน 1 กระบอก เครื่องกระสุนปืนขนาด .45 จำนวน 32 นัด ซองบรรจุกระสุน จำนวน 2 อัน เสื้อแบบสูทสีกรมท่า จำนวน 1 ตัว (สวมใส่ขณะก่อเหตุ) เสื้อเชิ้ตสีขาวยี่ห้อ LTD จำนวน 1 ตัว รองเท้าคัตชูสีดำ จับกุมได้ที่บ้านเลขที่ 154 ม.4 ต.ห้วยแม่เพรียง อ.แก่งกระจาน จ.เพชรบุรี ผู้ต้องหาตามหมายจับ ศาลอาญา ที่ จ.154/2563 ลงวันที่ 18 ก.พ. โดยกล่าวหาว่า กระทำความผิดฐาน “ฆ่าผู้อื่นโดยไตร่ตรองไว้ก่อน, พยายามฆ่าผู้อื่นโดยไตร่ตรองไว้ก่อน, มีอาวุธปืนและเครื่องกระสุนปืนไว้ในครอบครองโดยไม่ได้รับอนุญาต, พาอาวุธปืนไปในเมือง หมู่บ้าน หรือทางสาธารณะโดยไม่มีเหตุอันสมควรและไม่ได้รับอนุญาตให้มีอาวุธปืนติดตัว, ยิงปืนซึ่งใช้ดินระเบิดโดยใช่เหตุในเมือง หมู่บ้านหรือที่ชุมชน
จากการสอบถามผู้ต้องหาให้การยอมรับว่า เป็นบุคคลตามหมายจับที่ได้ใช้อาวุธปืนยิงนางสาวปิยานุช ถึงแก่ความตาย และมีผู้ได้รับบาดเจ็บ ตามวันเวลาเกิดเหตุจริง สาเหตุเกิดจากความหึงหวงที่ผู้เสียชีวิตคบหากับชายอื่นจนขาดความยั้งคิดก่อเหตุใช้อาวุธปืนยิงดังกล่าว จึงได้ทำการจับกุมผู้ต้องหาพร้อมตรวจยึดของกลางนำส่งพนักงานสอบสวนสน.พญาไท เพื่อดำเนินการตามกฎหมาย
ต่อมาเวลา 14.30 น. ผู้สื่อข่าวรายงานว่า พ.ต.อ.บวรภพ สุนทรเรขา ผกก.สน.พญาไท สั่งเกณฑ์ตำรวจฝ่ายสืบสวน และฝ่ายปราบปรามกว่า 10 นาย คุมตัวนายดนุสรณ์ ที่สวมเสื้อเชิ้ตแขนยาวสีกรมท่า สวมหมวกแก๊ปยี่ห้ออาดิดาสสีดำและสวมหน้ากากอนามัยอำพรางใบหน้าเดินก้มหน้าตลอดเวลา ระหว่างนั้นผู้สื่อข่าวพยายามสอบถามผู้ต้องหาว่ามีอะไรอยากจะกล่าวหรือไม่ ก่อนนายดนุสรณ์ มีสีหน้าแดงก่ำเหมือนคนร้องไห้และตอบกลับว่า “ผมขอโทษ ผมไม่ได้ตั้งใจ ผมไม่ได้อยากทำแบบนี้”จากนั้นเจ้าหน้าที่นำตัวเข้าห้องขังใน สน.พญาไท ทันที