警察找他谈话时，发现他很紧张，在他左手手背上还有几条带血的伤痕，当被问到这些伤是怎么来的时候，他更紧张了。张玉环支支吾吾地解释，这些伤是干农活时剐蹭到的，这样的回答，办案民警哪里肯信。而遇害男童父母还向警方提供了一条重要线索，“全村人都在帮我们找孩子，就张玉环他家人没有出门。”10月27日，张玉环被警察带走调查，当晚7点左右，有警察从张玉环家谷仓里拿走了一根麻绳，因为被害男童有一个是被勒死的，接着又拿走了一条装稻谷的麻袋，因为在水库里找到了“打个两个补丁的麻袋”。
张玉环被收审4天后，他就作出了“有罪供述”，承认了自己杀人事实，在警方的笔录中，他交代了全部“杀人过程”，先是用绳子勒死一个小孩，接着又用手卡死了另一个小孩，接着用麻袋装尸体隐藏，晚上出去把尸体抛下了水库。第二天，张玉环又在供述中“承认”了杀人，但两份供述中存在很大的漏洞，杀人地点和杀人工具都有明显的不同，而警方还是给张玉环定罪了。后来不管张玉环如何不承认杀了人，声称是屈打成招，但办案机关依然认可了他的“有罪供述”。
