1981年9月7日23时40分，济南火车站广场小件行李寄存处的服务员叫住了一名路过的济南铁路局公安处济南铁路分处的刑警，说寄存处里有一股子臭味，请警察同志进来判断一下臭味来自哪里。刑警入内后查看了好一会儿后，终于发现臭味来自两个人造革质地的旅行提包，而且根据他多年的办案经验，判断这臭味是尸臭。于是他要求小件行李寄存处立即停止营业，关门打烊。然后打开两个提包，结果发现提包里装的都是人体的肢体，于是立即要求服务员去济南站派出所报案，并要求派出所立即上报给济南铁路局公安处和济南铁路公安分处。
9月7日23时50分至9月8日1时，济南站派出所、济南铁路公安分处、济南铁路局公安处、济南市公安局的刑侦技术人员陆续抵达现场，并开展联合勘查。
两个提包内的尸块一共有六块，其中两块躯干（从腰部拦腰截断，内脏全部位于带着大腿的盆腔里），另外四块分别是两条手臂和两条带脚掌的小腿。
法医检查后初步判断死者是一名35岁左右的男性，身高约在1.67米左右，体重约为55公斤，尸体轻度腐败，但表面干净，没有血斑，也没有任何抵抗性伤痕，右手的拇指指甲脱落并长出了一半。尸检排除了中毒或窒息性死亡的可能，较大可能系在毫无准备的情况下突然遭到打击后致死，致命伤可能在头部，但现场没有发现头部，因此确切死因无法判断，死亡时间在9月4日至9月5日之间。
一只提包内衬着白色尼龙编织袋一条，上面印有“巨州化工厂”、“尿素”字样；
另一只提包内衬着一张1981年8月31日的《文汇报》和一件府绸男式衬衫；
根据济南站小件行李寄存处服务员回忆，这两包碎尸是在9月6日上午和晚上分两次寄存的，由于来寄存行李的人很多，因此服务员没有记清寄存人的样貌，只知道是一个男人。
警方就此认为：死者可能是来济南地区贩卖茶叶的浙江人或者浙江附近的南方人，案件性质很可能是财杀或者是仇杀，凶手为一人，也有可能是两人，可能是有犯罪前科的中年人，第一犯罪现场可能就在济南。
为了侦破此案，山东省公安厅和济南铁路局公安处的领导紧急开了个碰头会，会后决定由铁路公安和地方公安携手侦办此案，从济南铁路局公安处、济南市公安局、济南铁路公安分处的刑侦部门抽调40名精干警力组成专案组，分别在山东省和浙江省两地区开展工作。同时印发协查通报，通过京沪铁路和沪杭铁路沿线地区的公安机关发动群众进行确认尸源的工作。
在山东开展工作的一组侦查员以济南市为重点范围，通过组织失踪人员家属认尸排出线索三十余条，从中圈定了八名可疑的失踪人员，但经过一一核实后全部否定。提包里垫的那张《文汇报》查实不是在济南地区发售的，应该是从南方买来的。同时包裹尸体用的提包、锁、府绸衬衫、毛巾和涤棉线等物在近三年以来都不曾在济南地区出售过。
与此同时，前往浙江省的一组侦查员先后走访了杭州、宁波、金华和衢县的相关部门，确定了包裹尸体用的提包、锁、府绸衬衫、毛巾和涤棉线等物均在浙江省生产并销售。另请来中国农科院茶叶研究所的专家对现场发现的茶叶进行鉴定，可是由于茶叶已经被死者的血所污染，早已变色和变味，使得鉴定难度变得相当大。最后使用水泡法（这种方法要冒相当大的风险，因为只有一次性的机会，要是鉴定不出来，物证也就废了）鉴定出茶叶产自浙江杭州。于是，侦查员又在杭州市工商局对该局在1981年7月至9月10日期间查扣处理过的五百一十名倒卖茶叶人员进行的一一排查。发现这些人大多来自诸暨和金华两地，另有一部分来自杭州市的西湖区。
根据上述情况，专案组确定以杭州市的西湖区、绍兴地区的诸暨县和金华地区的金华县为重点范围进行排查。
9月29日，徐州火车站派出所接到徐州站小件行李寄存处的报案，在寄存在这里的一个上了锁的60厘米的济宁产黄色帆布提包内发出浓烈的臭味，怀疑里面有腐烂的尸块。随即济南铁路局公安处（当时徐州站属于济南铁路局）、徐州铁路公安分处、济南铁路公安分处以及徐州地区公安处和徐州市公安局立即“组团”进行了勘查。
将该黄色帆布提包的锁打开后，里面还套着一只黑色人造革背提两用包，同样被锁锁着，打开锁并开包后，一颗已经高度腐败的男性人头赫然出现。人头周围垫着草绿色涤卡男裤一条，在裤子口袋内发现一张9月4日济南官扎营旅社住宿单据和一张9月5日济南至泰安的火车票；裤腰内侧有“诸暨百货公司”的商标的草绿色的确良男裤一条；深蓝色针织背心一件；蓝色田径短裤一条。
另外，包里还有六条白色尼龙编织袋，其中两条身上分别印着“尿素”和“巨州化工厂”的字样，六条编织袋里均发现了茶叶屑；山东益都产的“鹦鹉”牌过滤嘴香烟烟盒碎片数块，上面写着“和济公社红马墩毛永明”和“王庄公社西焦大队李光连”的字样；红棕色人造革腰带一条和一本中国分省地图册。
经检查，头颅右侧的额头、头顶、颞部和枕部均有大面积的缺损。左侧颞骨鳞部有一处粉碎性骨折造成的凹陷，经判断系被弧形钝器击打导致颅内大出血死亡。经和济南站发现的碎尸进行比对检验，最终认定两者属于同一个人。
根据在徐州站发现的济南官扎营旅社住宿单据，专案组派人前往该旅社核实，证实9月4日有两个男子在这里登记入住，并在9月5日6时40分退房离开。登记表上登记的姓名分别时刘华和章桂文。
另外根据9月5日济南站和泰安站的旅客列车时刻表，专案组认定这张火车票的持票人已经到达泰安并出站。
包里发现的泥沙经山东省农业厅土壤办公室和山东农学院土化系的专家教授鉴定，来自汾河中游以及泰山前部。据此，专案组认定第1杀人现场在泰安，于是立即将侦查重点集中到泰安，紧紧围绕查找凶手和第一现场这一目的，发动群众开展排查。
前往浙江的调查组，根据根据字条上的地址和姓名，在诸暨县查到了和济公社红马墩大队社员毛永明。毛永明对侦察员说，曾经在8月底给一个外号叫“大肚子李”的写过通讯地址。虽然他不知道“大肚子李”叫什么名字，但是他知道这个“大肚子李”是诸暨县浬浦公社楼童大队社员楼学明的朋友。同时他还反映楼学明已经在8月底去山东卖茶叶，至今未归，但是他的老婆在家。
于是侦查员前往楼学明的家，请楼学明的妻子和父母辨认死者的遗物和体貌特征，最终认定死者正是时年33岁的茶叶贩子楼学明。
根据楼学明的父母和妻子提供的情况：楼学明在离家前曾经收到从山东肥城拍来的一封电报，内容为“带款提果一万斤”。楼学明接到电报后，于8月29日携带340斤茶叶去山东泰安、肥城一带售卖。9月4日，楼家收到了楼学明从泰安写回了一封信：“茶叶已办好，是我在这里的一个朋友给办好的，再待两天就回去。”
下来专案组要搞清的问题是：刘华和章桂文是谁？他们和死者楼学明是什么关系？