经过反复观看监控视频中出现的镜头，沈翊终于有了新的发现：“这不是真的骷髅头，是有人故意戴在头上的面具。而且，从走路姿势和身形判断，凶手个子比较小，很可能是为了增加自己的威慑力，才戴上这个骷髅头面具。”
杜城听后，眼前一亮：“既然如此，我们就从这一点入手。排查酒店当天的住客登记信息，看看有没有身材矮小的人入住。同时，扩大调查范围，调取酒店周边的监控视频，看看是否能找到可疑人员的踪迹。”
警员们迅速行动起来。他们仔细查阅酒店的入住记录，对每一个住客进行详细调查。同时，技术人员加班加点，分析酒店周边的监控视频。
在调查过程中，一个名叫李光荣的人引起了他们的注意。李光荣在案发当晚入住酒店，登记信息显示他身高只有一米六五，符合沈翊推断的凶手身材特征。而且，他在案发后第二天一大早就匆匆退房，行为十分可疑。
杜城和沈翊立刻对李光荣展开深入调查。他们发现李光荣现在是一个无业游民，平时靠打零工为生，经常出入一些网吧、游戏厅等场所。进一步调查发现，李光荣与死者谢湘雅之间似乎有着某种联系。原来，李光荣曾经是谢湘雅科海外研项目的助手，但因为学术造假被谢湘雅辞退，从此怀恨在心。
杜城和沈翊认为李光荣具有重大作案嫌疑，决定对他实施抓捕。经过一番布控，警方在一个网吧里找到了李光荣。当杜城和沈翊出现在他面前时，李光荣脸色瞬间变得苍白，试图逃跑，但很快被警员制服。
在审讯室里，李光荣一开始还百般抵赖，但在杜城和沈翊强大的心理攻势下，以及警方掌握的证据面前，他终于承认了自己的罪行。
原来，李光荣被谢湘雅辞退后，一直心怀不满，认为是谢湘雅毁了他的前程，回国后又找不到新的工作，这次得知谢湘雅回国并入住这家酒店后，他便心生杀意。为了制造恐怖氛围，同时掩盖自己的身份，他特意制作了一个骷髅头面具。
案发当晚，他趁着酒店保安巡逻的间隙，避开监控，伪装成酒店服务员潜入酒店。他事先了解到谢湘雅的房间位置，用事先准备好的万能钥匙打开房门。进入房间后，他看到谢湘雅正在熟睡，便拿出准备好的绳索，勒住了她的脖子，直到她停止呼吸。
作案后，他故意替换了监控视频，企图混淆警方的视线。本以为自己的计划天衣无缝，却没想到最终还是没能逃脱警方的追捕。
随着李光荣的落网，这起轰动一时的酒店凶杀案终于画上了句号。北江市的人们也渐渐放下了心中的恐惧，城市又恢复了往日的喧嚣与安宁。杜城和沈翊再次凭借着他们的智慧和勇气，成功破解了这起看似离奇的案件，扞卫了法律的尊严和城市的和平。