В ходе разбирательства выяснилось, что патрульные вели тщательный учёт всех замеченных на данном участке личностей. Исса Магомедович, который в течение нескольких часов изучал списки с проставленными местами, датами и фамилиями, неожиданно натыкается на знакомую фамилию — Чикатило. Вызвав Владимира Колесникова, который совсем недавно упоминал эту фамилию, и выслушав соображения заместителя начальника УВД, он предложил установить за подозреваемым наблюдение. Расспросили и останавливавшего Чикатило милиционера Игоря Рыбакова. Дежуривший 6 ноября на участке близ железнодорожной станции Донлесхоз Игорь объяснил, что ему прохожий показался подозрительным. Вернее, его одежда. Милиционер за несколько дней успел узнать, что большая часть отправляющихся в лесополосу местных жителей — грибники. Одежда же Чикатило была чистой и совершенно неподходящей для долгих прогулок на природе. Кроме того, в глаза бросался перевязанный палец. Однако одни только догадки в качестве аргументов для задержания применить было невозможно, потому Рыбаков ограничился записью в тетрадь. За эту запись его наградили.
Около 5 дней длилось наблюдение за Андреем Чикатило. Его повадки, первое время казавшиеся странными, постепенно начинали вызывать какое-то непонятное отвращение, словно наблюдаешь за пятнистой гиеной, которая алчно следит за своими жертвами, не решаясь напасть. Вместе с тем бросалась в глаза его манера действовать незаметно, максимально предупредительно, быть безликой частью толпы. Руководящего опергруппой Владимира Колесникова не покидало ощущение, что подозреваемого следует брать с наибольшей предосторожностью — в противном случае он обязательно погибнет или успеет наложить на себя руки. 20 ноября 1990 года Андрей Чикатило ушёл с работы раньше обычного — требовалось зайти в поликлинику сделать рентген пальца. В поликлинике выяснилось, что палец сломан — Виктор Тищенко отчаянно сопротивлялся перед смертью. На обратном пути домой Чикатило зашёл в магазин, решив побаловать себя пивом. Однако домой ему попасть было не суждено. У выхода маньяка ненавязчиво прижали к стене люди в штатском и защёлкнули на запястьях браслеты наручников.
Вместе с тем бросалась в глаза его манера действовать незаметно, максимально предупредительно, быть безликой частью толпы.
Вспоминая то задержание и последовавшие за ним процедуры, следователь Амурхан Яндиев рассказывал, что его поразило безразличие задержанного — ни страха, ни паники, ни вопросов. Взяли и взяли. Даже не спросил, кто перед ним. Будто бы где-то там, в своей собственной реальности, он уже давно ждал чего-то подобного. Перерытый сверху донизу дом маньяка прямых улик не дал. Были, правда, обнаружены два с половиной десятка ножей, но, согласно экспертизам, чистые. И только в прихожей оперативники нашли ботинки, один из отпечатков которых совпал с отпечатком, оставленным на мокрой земле возле одного из трупов. Жена ничего конкретного рассказать не смогла. С мужем они жили вместе, но вроде как порознь. Он её к себе и близко не подпускал. Последние 7 лет они даже в интимной близости не состояли — Чикатило всё время отмахивался.
Допросы, вопреки ожиданиям Иссы Костоева, не приносили никакого результата. Формальное основание, по которому задержали Чикатило, позволяло удерживать его под стражей 10 суток. Разумеется, было бесконечное множество построенных на казуистике и гибкости нормативного законодательства способов оставить «гостя» за решёткой хоть на год, но дело Ростовского потрошителя и так уже насчитывало множество ошибок, ценой которых были жизни и судьбы. Поэтому следователи стремились сделать всё грамотно. Только на пятые сутки задержания Чикатило, почти не поднимая глаз, признался в совершённых убийствах.
Но что это было за признание! Он постоянно соглашался со следователем: «Да, да, да, я виновен», а затем рассказывал о каких-то домогательствах в свою бытность воспитателем, своих разногласиях с начальством и т.д. То есть признался либо в мелочах и глупостях, либо в том, что уже и без него было доказано и известно следствию. Ничего сверх того вытянуть из Чикатило не удалось. На девятые сутки таких признаний доставленного в изолятор КГБ маньяка казалось, что разговорить его так и не удастся. Тогда следователи, вспомнив о составившем столь удачный психологический портрет психиатре, послали за Бухановским. Учёного доставили в изолятор и по его просьбе оставили один на один с убийцей. Некоторым такое решение показалось чересчур опасным, но профессор был уверен: жажда убийства просыпается в Чикатило только при определённых обстоятельствах. Здесь он совершенно безопасен. Во время беседы, длившейся целый день, на маньяке не было даже наручников. На следующий день, 30 ноября, Чикатило начал давать показания.