En l'absence de piste, les enquêteurs commencent par perquisitionner le domicile et les véhicules des parents. Rien ne permet d'impliquer ces derniers dans le drame mais la gendarmerie ne veut rien négliger et cette opération est réalisée dans le but de trouver d'éventuels contacts via internet entre la victime et son assassin. Ces investigations ne donnent aucun résultat.
Parallèlement, des prélèvements de sang relevés sur les lieux du crime sont envoyés au laboratoire afin d'identifier d'éventuelles traces d'ADN appartenant au meurtrier.
Jeudi 31 juillet 2008. Alors qu'un ressortissant belge de 49 ans est interrogé par la police à Agen (Lot-et-Garonne) après avoir proféré des propos incohérents sur la mort du jeune garçon, les résultats des analyses ADN tombent. Le Procureur de la République de Bourg-en-Bresse annonce que la justice a vraisemblablement en sa possession l'empreinte génétique de l'assassin isolée sur une trace de sang prélevée sur les vêtements de Valentin.
Cette dernière ne correspond pas à celle du suspect belge qui est immédiatement relâché. Les analyses ADN permettent également d'écarter une éventuelle piste familiale. Par ailleurs, les enquêteurs vérifient si l'empreinte génétique identifiée ne figure pas dans le fichier national, sans résultat.
A Lagnieu, un jeune homme de 20 ans vivant dans une HLM distance d'un kilomètres de la scène de crime est interrogé avant d'être mis hors de cause.
Dans la soirée, la mère de Valentin implore l'assassin de son fils de se rendre dans une interview donnée à l'émission C'est dans l'air sur France 5.
Vendredi 1er août 2008: Jean-Paul Gandolière, le Procureur de Bourg-en-Bresse délivre deux mandats de recherche visant un couple de marginaux ayant transité dans la région de Lagnieu au moment du crime.
Dimanche 3 août 2008: Alors qu'une marche silencieuse est organisée par la famille et les amis de Valentin en sa mémoire à Porcieu-Amblagnieu (Isère), le portrait-robot du couple recherché est diffusé dans les médias. Cette initiative donne très vite des résultats puisque les fuyards sont identifiés par des automobilistes en train de faire du stop à Dornas (Ardèche). Interpellés vers 15 heures par les gendarmes du Cheylard, Stéphane Moitoiret, 39 ans, et Noëlla Hego, 48 ans sont placés en garde à vue.
Un faisceau d'indices concordants semble désigner Stéphane Moitoiret comme étant le tueur présumé de Valentin. D'une part son empreinte ADN prélevée dans un local paroissial proche de Lagnieu où a séjourné le couple correspond à celle relevée sur le jogging de Valentin. En outre, une caméra de vidéosurveillance placée dans une agence bancaire de Lagnieu montre le suspect en train de s'enfuir en courant dans la nuit du meurtre.
Le couple de marginaux avait été contrôlé par les gendarmes quelques heures avant le crime et leur comportement était apparu étrange aux yeux des militaires.
A la suite de cette double arrestation, la gendarmerie a reçu les félicitations du Président de la République Nicolas Sarkozy et des ministres de l'Intérieur et de la Justice Michèle Alliot-Marie et Rachida Dati. Ces dernières seront présentes dans l'Ain aujourd'hui.