A recém-nascida foi envolvida em dois sacos plásticos, além de jornais, lenços umedecidos e, também, uma fronha, cujo par foi encontrada dentro do apartamento do casal, e jogada do sexto andar pelo fosso de lixo do prédio de classe média em que o casal morava, na Rua Bahia, no bairro Gonzaga.A queda, segundo o IML, foi a causa da morte, já que foi constatado traumatismo craniano na criança. Além disso, a análise preliminar afirma que o bebê sofreu asfixia mecânica antes de ser arremessado. De acordo com o delegado Renato Mazagão Júnior, responsável pelo caso, no apartamento, foi localizada uma lixa metálica e pontiaguda, o que reforça a hipótese de ela ter sido usada para a asfixia, já que a criança tinha ferimentos de perfuração no pescoço. Ela também estava com um elástico de cabelo na região.
Um cupom fiscal da compra de um pacote de fraldas descartáveis, achado em meio ao corpo do bebê, foi o pontapé inicial para a localização do pai da criança. Abordado nas redondezas do prédio em que morava, foi ele quem indicou que Ana Carolina e a filha, de três anos, estavam em Praia Grande. Equipes da Polícia Civil localizaram a mãe em um apartamento da família, no bairro Aviação. O casal foi encaminhado ao 1º Distrito Policial de Santos. Ainda segundo o delegado, Ana Carolina trocou mensagens de texto no WhatsApp com o pai do bebê antes do crime, demonstrando insatisfação com a filha e dito não querer 'mais uma boca para comer'. "Havia uma conversa na qual ela dizia que eles ‘não tinham condições de criar mais uma boca’.
Ele chegou a sugerir que ela fosse embora para Ribeirão Preto. Depois, diz 'você matou minha filha', seguido de 'se livra disso'", afirmou Mazagão. O casal foi preso no mesmo dia, mas o pai, porém, foi solto na manhã de sexta-feira (29), em decisão que foi acompanhada pelo Ministério Público. Ele foi indiciado por favorecimento pessoal. Já a mãe segue presa até que as novas fases do caso sejam definidas.