검찰은 장윤기가 단순 '분풀이'가 아닌 납치와 성폭행을 목적으로 범행을 저질렀다고 판단해 성폭력범죄의 처벌 등에 관한 특례법상 강간 등 살인 혐의로 구속기소 했다. 장윤기는 수사 초기 우발적 범행을 주장하며 혐의를 부인했으나, 이후 재판 과정에서 검찰이 기소한 강간살인 혐의를 모두 인정했다.
검찰은 보완 수사를 통해 장윤기가 피해 여고생을 제압해 차량으로 끌고 가려 한 점, 과거 아르바이트 동료였던 외국인 여성을 성폭행한 수법과 일치한다는 점을 확인했다. 특히 디지털 포렌식 결과 장윤기가 고교 1학년 때부터 SNS에 여고생 납치 계획을 언급한 정황이 드러났다. 한편, 장윤기의 친인척이 경찰이라는 점을 이용해 경찰이 성범죄 관련성을 조직적으로 은폐했다는 의혹이 제기되었으며, 이에 경찰청 국가수사본부 특별수사단은 피해자와 유족에게 사과했다.
검찰의 보완 수사로 성범죄 목적이 규명되고 경찰의 은폐 의혹이 제기되면서, 가해자가 혐의를 인정하는 국면으로 전환되었다.
경찰이 검찰 송치 때 빠뜨린 핵심 감식 보고서가 장윤기의 자취방 리얼돌에 관한 것인지, 차량 혈흔에 관한 것인지가 쟁점이다.
연합뉴스 보도는 리얼돌에 대한 유전자 감식 보고서가 국립과학수사연구원 통보 뒤 약 여섯 주가 지나서야 검찰에 전달된 경위가 감찰 대상이라고 전했다.
한국방송 보도는 경찰이 장윤기 차량의 혈흔과 집에서 발견된 사람 모양 인형 등에 대한 감식 결과를 받고도 검찰에 넘기지 않았고, 뒤늦게 추가 송치했다고 전했다.
경찰이 핵심 증거인 DNA 감식 보고서를 검찰에 6주 뒤에나 전달한 경위에 대해 입장이 갈린다.
경찰은 형사사법정보시스템을 통해 사건 기록을 전송하는 과정에서 실무자의 실수로 감식 보고서가 누락되었으며, 이를 뒤늦게 확인해 검찰에 전달했다고 설명했다.
성폭력 목적 범행을 밝힐 수 있는 핵심 단서를 고의로 빠뜨려 혐의를 축소하려 했다는 의혹이 제기되었다.
피해자 이채원의 나이를 17세 고등학생으로 기록한 정보와 16세로 기록한 정보가 서로 상충한다.
특정 블로그 게시글에서는 피해자를 16세 여고생으로 지칭하며, 피해자의 시간이 16세에 멈췄다는 변호인의 발언을 인용하고 있다.