20 września 2021 19 września w Parku Narodowym Grand Teton niedaleko parkingu dla kamperów znaleziono zwłoki kobiety, której wygląd pasował do rysopisu Gabby. 21 września Brent Blue, koroner hrabstwa Teton, potwierdził tożsamość ofiary, której zwłoki znaleziono dwa dni wcześniej i na podstawie wyników sekcji zwłok poinformował, że Gabby zginęła w wyniku morderstwa.
Wraz z odnalezieniem zwłok Petito prowadzono poszukiwania Laundrie’ego, ale nie przyniosły one rezultatów. 20 września, na podstawie nakazu sądowego, FBI przeprowadziło rewizję w domu mężczyzny. Dwa dni później FBI poinformowało o wydaniu nakazu aresztowania Laundrie’ego. Śledczy ustalili, że mężczyzna po śmierci Petito korzystał z jej karty debetowej i PIN-u, w ten sposób dokonał płatności w wysokości około 1000 dolarów. Transakcje zrealizowano pomiędzy 30 sierpnia a 1 września, to jest najprawdopodobniej minimum trzy dni od daty zabójstwa Petito. Laundrie był poszukiwany na terenie rezerwatu Carlton, gdzie – zgodnie z informacjami przekazanymi przez jego rodziców – udał się na wyprawę oraz w okolicy pola namiotowego Fort De Soto, które znajduje się 120 km od jego domu rodzinnego. Laundrie od 6 do 8 września przebywał tam z rodzicami.