El 14 de febrero, Miguel Carcaño Delgado, de 19 años, confesó el asesinato de Marta y el haber arrojado el cadáver al río Guadalquivir.Junto a Carcaño, fue detenido Samuel Benítez Pérez, como presunto cómplice, al haber colaborado para deshacerse del cadáver de la joven.Junto a ellos dos, también se detuvo a un amigo de los dos acusados, llamado Javier García Marín, alias El Cuco, este último menor de edad. Posteriormente fue arrestado el medio hermano de Carcaño, Francisco Javier Delgado Moreno. Y la última imputación hasta el momento, fue a la novia de este último, María García Mendaro que, como él, se halla en libertad condicional. Asimismo, se investigó a la familia de Rocío, la apodada "menor de Camas", entonces novia de Carcaño, por su posible implicación o aportación al caso. Miguel Carcaño, autor confeso del crimen, en un primer momento hizo un cambio a su declaración el 17 de marzo, señalando a "El Cuco" como autor material, y modificando así su versión de lo sucedido afirmando que: ambos trataron de abusar sexualmente de Marta, la amenazaron con una navaja, que El Cuco estranguló a la joven y que se deshicieron del cadáver tirándolo a un contenedor de basura. A lo largo de esta declaración y reconstrucción de los hechos se produjeron grandes incongruencias en cómo se habían producido los hechos, pero siendo la versión más creíble en cuanto a la forma de deshacerse del cadáver. Otra de las posibilidades ofrecidas por Antonio del Castillo, padre de Marta, y algunos medios de prensa, incluye detalles no declarados por los imputados: el padre de la entonces novia del presunto asesino Miguel Carcaño, había trabajado en un crematorio de residuos biológicos y el cuerpo pudo haber sido incinerado. El 22 de noviembre de 2011 y después de duras labores anteriores, la policía científica confirma que hay sangre de Marta en la chaqueta de Miguel Carcaño, además, en un rollo de esparadrapo se encuentra una mezcla del perfil genético de Miguel y de la acusada María García, mientras que en un cable de alargadera hay ADN de Francisco Javier Delgado y su novia María García. Este cable habría sido supuestamente usado para estrangular a Marta. Cabe recordar que María García mencionó en sus declaraciones al juez que sólo pisó el lugar del crimen en la madrugada con objeto de estudiar y no se percató de nada raro. Esta última fue acusada de profanación del cadáver y encubrimiento, debido a la evidencia del ADN.
