中午12时，乌鲁木齐市公安局接到报警电话，天山分局的刑警和武警迅速赶赴现场。现场一片狼藉，血迹遍布地面，散落着衣物、箱包和被遗弃的货物，受伤群众的哀嚎声、家属的痛哭声交织在一起，令人心碎。警方一边组织人员抢救伤员、疏散群众，一边展开现场勘查和目击者走访工作。
由于白宝山在广场上逗留了二十分钟左右，不少目击者看清了他的长相。根据目击者的描述，刑侦人员绘制出了模拟画像，画像与白宝山的真实样貌相似度极高。警方立刻将画像批量复印，下发到各级民警手中，在全市范围内展开排查。
与此同时，技术人员在现场提取到了重要证物：一个自制白色毛毡袋子、一块包枪用的晴纶毯、一副墨镜，以及12枚弹壳和3枚弹头。弹壳上的编号依然是七五杠81，与141团、149团案件中的弹壳完全一致。赶来的自治区公安厅长得知后，连现场都没细看，直接询问弹壳是否为七五杠81，可见这组数字早已成为新疆警方的心头之患。
那副墨镜经鉴定为新近购买，佩戴时间仅7到15天，质量低劣，大概率是地摊货，无法追踪来源。而那个白色毛毡袋子却成为了破案的关键，袋子长80厘米、宽40厘米，由羊毛和锦纶混纺的滤布制成，这种布料十分特殊，是造纸原网机上的专用滤布，在当地并不常见。
警方带着毛毡袋子走访了乌鲁木齐市的所有缝制作坊，均无收获。随后，侦查人员将排查范围扩大到周边兵团，当他们来到147兵团时，一名女鞋匠看到袋子后，立刻认出这是自己亲手缝制的。她回忆说，两个多月前，有一高一矮两名男子来找她缝包，矮个子是本地人，高个子说话带着河北或北京口音，两人骑着一辆黑色油箱的摩托车，车身上很干净，应该就住在附近。缝包的过程持续了近两个小时，矮个子在交谈中提到了147兵团粮站和油库的人名，由此可以确定，矮个子就是147兵团的人。
与此同时，弹痕鉴定有了新突破。技术人员发现，边疆宾馆案现场的弹壳，并非来自五六式半自动步枪，而是81式自动步枪。新疆警方向北京发出协助请求，四名弹痕专家火速赶赴乌鲁木齐。经过鉴定，专家确认新疆三起特大案件中的子弹，均由同一支81式自动步枪射出，且这支枪与北京德胜门外枪击案中使用的枪支为同一支。至此，北京与新疆的系列案件正式并案，案件侦查有了明确方向。
1997年8月30日，新疆各路警力集中到石河子莫索湾垦区147兵团，围绕女鞋匠提供的线索展开全面排查。警方判断，高个子男子大概率是从北京逃窜至新疆的案犯，矮个子则是147兵团的本地人，两人很可能还藏在兵团内部。然而，就在排查工作刚刚展开时，天池风景区发现无名男尸的消息传来，案情发生重大转折。
法医对无名男尸进行解剖，确认死亡时间为8月26日，也就是边疆宾馆抢劫案后的第七天。死者身中两枪，一枪击中臀部，一枪从背后击穿心脏，头部有洞穿性骨折，明显是被钝器击打所致。这种先钝器袭击、再持枪追杀的手法，与北京石景山高井热电厂哨兵遇害案的作案手法如出一辙，办案民警立刻推断，凶手就是白宝山，而死者大概率是他的同伙吴子明。
白宝山杀死吴子明的原因很简单，就是不想分赃。抢劫得来的140万元现金，在当时是一笔天文数字，白宝山从一开始就没打算与吴子明平分。他深知吴子明贪婪且胆小，得手后一定会索要一半赃款，这是他绝对无法忍受的，因此在抢劫成功后，就已经下定决心除掉吴子明，独占所有赃款。
吴子明并非毫无察觉。他与白宝山相处日久，深知对方的残忍与自私，也清楚自己知道太多秘密，迟早会被灭口。在实施边疆宾馆抢劫前，吴子明就给自己留了后路，他找来一个蓝色笔记本，在上面歪歪扭扭地写下了白宝山在北京的住址和谢宗芬在四川的住址，其余页面都是空白。他将笔记本交给堂弟吴子兵，嘱咐说自己要和一个朋友出去一趟，如果到10月份还没回来，就说明自己已经遇害，让吴子兵拿着笔记本去报案，凭借这两个地址追查凶手。
1997年8月26日，白宝山提议带吴子明和谢宗芬去天池风景区游玩，说是放松心情，实则是为了找机会下手。吴子明没有多想，欣然同意，他以为白宝山只是想暂时躲避风头，完全没意识到这是一场致命的鸿门宴。三人驱车来到天池，沿着山坡往上走，白宝山故意放慢脚步，让吴子明走在前面。
走到山腰处，三人停下休息，吴子明口渴去旁边的小溪喝水。白宝山趁其不备，从腰间掏出事先准备好的铁锤，猛地朝吴子明的后脑勺砸去。吴子明反应极快，听到风声后立刻躲闪，铁锤只擦到了他的肩膀。他吓得魂飞