1995年4月28日晚，当朱令被确诊为铊中毒后，朱令父母立即向清华大学当时的化学系副主任、主管学生工作的薛芳渝教授提出报案的请求，薛随即向清华大学保卫部部长兼清华大学派出所副所长报案。1995年5月7日，北京市公安局开始正式立案调查。但在立案之前，在铊中毒确诊后的五一放假期间，朱令宿舍曾发生离奇盗窃案，朱令的洗漱用品丢失。
铊是一种剧毒化学品，在中华人民共和国《极毒物品级分类与品名编号》（1993年10月1日执行）中铊与氰化物同为A类。“据公安局有关人士说北京市工作中需要使用铊和铊盐的单位只有二十多家，能接触到铊的只有二百多人”。警方并且排除了朱令本人曾使用或接触过铊盐，也排除了其家人和亲朋接触过铊盐。朱令家人委托的两名代理律师之一张捷指出，“根据警方目前提供的情况来看，有人故意投毒是朱令中毒的真实原因，也就是说背后存在一个凶手”。 而了解内情又有几十年破案经验的老公安王补推断“嫌疑人的范围是很小的”，并根据清华大学女生宿舍的严格管理，进一步推断“朱令身边就有凶手”。
在1997年4月，在正式立案两年之后，北京警方对朱令案件犯罪嫌疑人孙维采取了第一次突审。在这以前见诸报道的关于案件的进展和调查情况包括：警方在1995年夏秋时分到朱令父亲单位调查过朱令父亲和孙维父亲的关系；警方在1995年通知朱令家属，“只剩一层窗户纸了”；1996年，清华大学派出所所长李慕成告知朱令父母，“有对象”，“上面批准后，开始短兵相接”； 1996年2月，北京市公安局14处有关领导对朱令家属表示案件难度很大，仍在努力之中；1997年2月，化学系薛芳渝教授告知朱令家人，校方将配合警方作一次有效的侦破行动，但后来一直没有下文 。
在朱令母亲朱明新1997年11月发表在UCLA朱令铊中毒远程诊断网上的一封信中提到 ，警方迄今一直怀疑为朱令同舍和同班同学的一位女生是投毒真凶。警方同时说明有证据显明是嫌疑人自己利用铊中毒测试报告出得太晚，破坏了朱令宿舍的物品，使得仍还有小于1%的硬件证据缺失。但警方表示不会放弃并有自信心在公开的法庭上给嫌疑人定罪。但是，从1995年5月7日以来的11年（2006年），这个案件没有进入法庭阶段，北京警方一直没有宣布侦破此案，也没有公开任何有关的细节和原因。但主要负责这个案件的公安局十四处李树森，在2006年对采访他的记者提及“这件事在调查工作中已有一定结论”，且“这件事情很敏感”。
朱令同宿舍的同班同学孙维，被警方认定为是唯一能够合法取得铊盐并且跟朱令接近的人。经过详细调查，警方正式将其列为投毒的犯罪嫌疑人。孙维的祖父孙越崎和伯父孙孚凌在民主党派和政协担任要职，而正是显赫的家庭背景，被认为是本案件的调查不能顺利进行的原因。
1997年3月，朱令家人以出事班级即将全部毕业，人证即将难以获得为由，上书北京市公安局长。1997年4月2日，孙维作为朱令案件犯罪嫌疑人被北京市公安局14处带走，并在印有犯罪嫌疑人的纸上签字。在被连续侦讯审问8个小时后，孙维被家人接回家。此外，朱令家人还曾上书国家领导人要求加快办案，但上书时间没有说明。1998年1月，孙维家人在得知朱令家人上书国家领导人后，也给高层领导上书。
有消息指出
