尸体被发现当晚，时年16岁的张志超，被警方从家中带走调查。临沭县公安局专案组认定，曾任临沭二中分校高一24班班长的张志超，具备作案嫌疑。
媒体此前报道，警方认定，案发前一个月的1月10日，张志超在学校一间洗刷间遇到张源，于是“顿起歹念”，利用随身携带的铅笔刀，以捂口鼻、掐脖子等方式，对其实施强奸，并导致张源窒息死亡。随后，张志超将尸体转移至校内一处位置偏僻的厕所。离开时，张志超遇到同学王广超，向其坦白自己强奸杀人的情况，并要求王广超协助看守厕所。期间，张志超到学校小卖部购买一把新锁，返回将藏有尸体的厕所锁住。
2006年3月，临沂市中级人民法院做出一审判决，认定张志超强奸罪成立，判处其无期徒刑；王广超则因“虚假证言、包庇”，被判有期徒刑3年，缓期3年执行。
代理律师称案件疑点未解
一审判决下达后，张志超并未提出上诉。代理律师李逊称，此前张志超及家人“不敢上诉”，直到2011年，张志超在狱中看到一些冤假错案平反的新闻后，在与母亲马玉萍会见时，才首次“喊冤”，坚称自己并未作案，有罪口供为遭受“刑讯逼供”所得。
张志超的另一名代理律师王殿学介绍，张志超曾先后接受九次讯问，但是查阅讯问笔录发现，越往后的笔录，与案发现场的情况越一致，其中包括张源遇害时所穿衣服等关键信息，张志超首次接受讯问时表示“记不清”，后面几次笔录却细节翔实。
除此之外，一审判决书认定张源被害事件为6点20分左右，而四名同学的证言则显示，张志超当天6点15分参加升旗仪式，随后于6点20分开始参加环操场跑步，并于6点35分回到教室上课。
“10分钟左右的时间之内，完成遇到被害人、强奸、挪动尸体等步骤，难度可想而知。”王殿学表示，尸体藏匿地点距离学校小卖部约300米，而小卖部老板则证实，每天的开门时间为7点20分左右。“种种迹象表明，张志超并没有作案时间。”与此同时，警方并未获得张志超强奸杀人的直接证据，包括精液、毛发等。
