因莊是澎湖人，高雄警方於是聯繫澎湖警局，請求協助訪查莊的下落。澎湖警方調查，莊與家人多年未聯絡，也沒有什麼要好的朋友，甚至沒用手機，難以追查行蹤，不過，他曾在澎湖認識1名從高雄來的林姓酒店女子，2人進而交往，由於莊因案遭通緝，警方研判他可能逃到高雄投靠女友。
為了緝凶，專案小組開始監控林女的通聯及行蹤，但未發現可疑之處，過了好一陣子，終於在一通電話中，聽到她稱對話的男子為「澎湖仔」。警方士氣大振，認為該名男子應該就是莊天祝，於是派員埋伏在林女的租屋處附近，經過10天的守候，終於在2004年1月20日，發現林女騎機車載著1名男子外出。
參與緝捕行動的黃昭偉回憶，他看了莊天祝的照片很多次，對他印象深刻，當下覺得林女載的人就是莊，但因事出突然，只有2名人力跟蹤，為了避免圍捕失敗、打草驚蛇，只能悄悄尾隨，並且暗中申請警力支援，最後卻不慎跟丟。
不過，警方並未放棄，持續監聽林女的電話。當天傍晚，林接到同一名男子的電話，要求去接他，警方一路跟監林，最後在一處山區涼亭發現正與人打麻將的莊天祝，並以夾擊的方式，順利將他逮捕。
莊被逮的第一時間反應激動，大聲呼喊：「我什麼都不知道！」警方聽到他這麼說，只簡單回了一句：「你做了什麼，自己清楚，好好配合，我們不會為難你。」被帶回警局後，莊的情緒逐漸穩定，最後坦承犯下3起命案。
