Il n'hésita pas à expliquer en détails aux policiers la façon dont il opérait, repérant les vieilles dames au marché ou dans la rue, les suivant jusque chez elles, tentant parfois d'engager la conversation pour ne pas susciter leur méfiance. Très vite, Paulin dénonça Jean-Thierry Maturin comme étant son complice et donna son adresse. Celui-ci fut immédiatement arrêté, dans le XIVe, au domicile d'un travesti rencontré alors qu'il travaillait au Paradis Latin. Mathurin avoua sans trop de difficulté avoir participé aux meurtres du XVIIIe arrondissement. Paulin, puis Mathurin quelques heures plus tard, furent déférés au parquet, où bientôt commença l'instruction. C'est le juge Philippe Jeannin qui fut chargé d'instruire l'affaire. Dès le jeudi 3 décembre, il inculpa Paulin pour «assassinats et vols aggravés». Bien que le jeune homme ait reconnu avoir perpétré plus d'une vingtaine d'assassinats, le magistrat commença par n'en retenir que 18 contre lui, et demanda un complément d'informations à propos de trois autres crimes qui demeuraient obscurs. En effet, le mode opératoire de l'assassin différait dans trois cas : des armes blanches avaient été utilisées. Les 18 assassinats retenus contre Paulin furent ceux où les victimes avaient été étouffées ou étranglées. L'instruction de ce dossier retint toute l'attention de l'opinion publique. Le juge Jeannin étudia, dans les moindres détails, les vies passées de Paulin et de son acolyte. Confrontés l'un à l'autre, les deux hommes refusèrent de se parler. Pour ne pas avoir à prononcer le nom de Paulin, Mathurin ne se référa à son ancien ami qu'en l'appelant «l'autre». Paulin, plutôt calme et souriant, tenta de faire endosser à Mathurin la plus grande part de responsabilité. Paulin fut incarcéré à la maison d'arrêt de Fleury-Mérogis. Il dut être isolé au quatrième étage d'un bâtiment récent où étaient enfermés les prisonniers que l'on souhaitait maintenir à l'écart des autres détenus. En prison, Paulin ne pensa qu'à soigner son image, inconscient de la gravité des actes qui lui étaient reprochés. Comme par le passé, il cultiva savamment sa tenue vestimentaire. On lui avait coupé les cheveux et ôté sa boucle d'oreille, mais il avait pu conserver deux sacs de vêtements contenant plusieurs pantalons, un costume coupé comme un smoking, des chemises blanches et des n?uds papillons. Soucieux de les maintenir en bon état, il demanda même à sa mère de laver son linge pour lui.
