Un día después, sus padres denuncian su desaparición y ponen en marcha un operativo que lleva a la Policía a tomar declaración a su familia y amigos. En el transcurso de los primeros pasos de las pesquisas, varias llamadas sitúan a la joven en Cádiz y Jérez. La Policía no descarta ninguna hipótesis, incluida la de la fuga voluntaria.
Los compañeros y amigos de Marta, vecinos e incluso desconocidos pusieron en marcha una campaña en la Red que se hizo viral. El apoyo en las redes se transformó en una manifestación en las calles de Savilla que congregó a 2.000 personas. Algo que se volvió a repetir dos semanas después de su desaparición, con 3.000.
En febrero de 2009, Antonio del Castillo mantuvo ante la Policía que su hija no había huido y los agentes comienzan a trabajar en esa línea de investigación.
A las tres semanas de la desaparición de Marta, la Policía detiene a Miguel Carcaño, de 19 años. El antiguo novio de la joven confiesa que está muerta y que él es el autor del crimen. Carcaño sostiene que la mató de un golpe en la cabeza con un cenicero en un piso de la calle León XIII y que, con ayuda de sus amigos, tiraron el cuerpo al Guadalquivir.
Además de Carcaño, Javier G.M., más conocido como «el Cuco», fue detenido como supuesto encubridor. También es detenido el hermanastro de Miguel, Francisco Javier Delgado, de 40 años.
En marzo de 2009, con un amplio dispositivo de búsqueda del cuerpo de la joven que no estaba logrando resultados, Miguel Carcaño cambia su versión de los hechos -algo que ha hecho en varias ocasiones estos últimos 9 años- y señala a «el Cuco» como autor material del asesinato y sitúa el cuerpo de Marta en el vertedero de Alcalá de Guadaíra, donde se buscaron los restos mortales sin éxito.
En marzo de 2011, el juez absuelve al «Cuco» de asesinato y violación de Marta del Castillo. Lo condenan únicamente por un delito de encubrimiento a tres años de internamiento en un centro cerrado. Sale en libertad en 2013.
En 2012, la Audiencia de Sevilla condenó a Miguel Carcaño a 20 años de cárcel por el asesinato de la joven Marta del Castillo y en 2013, después de que imputen a su hermano, Carcaño cambia su versión ante el juez y dice que fue su hermano quien mató a la joven golpeándola con su pistola. Francisco Javier Delgado fue puesto en libertad tras declararse inocente de la acusación de Carcaño.
En junio de 2013, y siguiendo la séptima versión de Carcaño, la Policía busca, sin éxito, el cuerpo en la finca Majaloba, donde, supuestamente enterraron el cadáver de Marta.
En marzo de 2014, la Policía rastrea una escombrera entre Sevilla y Camas, donde aparecen unos restos óseos que, finalmente, no pertenecían a Marta del Castillo. La búsqueda se paraliza en noviembre de ese mismo año.
Meses después, en enero de 2015, comenzó una búsqueda, de nuevo, en el entorno del Charco de la Pava y la localidad de Camas que tampoco fue exitosa. El pasado 2017 también se buscó, sin resultados, el cuerpo de Marta en el río otra vez.
Desde el día de su asesinato, el cuerpo de Marta del Castillo sigue sin aparecer. Por el crimen, Carcaño continúa entre rejas, bajo una pena de prisión de 20 años.