Depuis l’arrivée des premiers secours, la scène de crime est gelée. Par conséquent, la voiture de la famille al-Hilli reste fermée. Il faut attendre l’arrivée des experts de l’IRCGN (Institut de recherche criminelle de la gendarmerie nationale), avant de pouvoir pénétrer à l’intérieur du véhicule. Mais tout va s’accélérer très rapidement, grâce à un acteur extérieur.
Dans la soirée, un ressortissant britannique se rend à la brigade de gendarmerie de Saint-Jorioz. Il dit s’inquiéter car ses voisins de camping ne sont pas rentrés. À la radio, il a été mis au courant du drame et fait le lien car la description de la voiture, entendue aux informations, correspond à celle de la famille.
Les gendarmes interrogent alors le gérant du camping « Le Solitaire du Lac » au bord du lac d’Annecy. Il affirme que Saad al-Hilli avait effectivement loué un emplacement et qu’il était accompagné de sa femme, d’une autre femme plus âgée et de deux enfants. Les gendarmes, n’ayant retrouvé qu’une petite fille, comprennent qu’il manque une victime.
Interrogé sur France 2, le lieutenant-colonel de la gendarmerie de l’époque, Benoît Vinnemann, assure que tous les scénarios sont alors envisagés. Les enquêteurs n’excluent pas le kidnapping de la fillette. Les gendarmes se lancent alors à la recherche de la petite fille : ils fouillent à nouveau les bois, et un hélicoptère équipé d’une caméra thermique survole la zone.
À minuit, les enquêteurs ouvrent la voiture pour explorer la scène de crime, jusque-là préservée. C’est là qu’ils trouvent, sous les jupons de sa mère, la deuxième petite fille. Elle est saine et sauve, mais complètement immobile, prostrée et tétanisée. Une gendarme sort la fillette de la voiture dans laquelle elle vient de passer près de huit heures.
Sabine Josse, psychologue à Faverges (Haute-Savoie), tente d’expliquer pourquoi la petite fille ne s’est pas manifestée : « Nous, les humains, nous possédons une
" super " capacité, nous pouvons nous mettre en mode pause dès que nous faisons face à un danger extrême. D’un coup, nous pouvons bloquer nos cinq sens. Il est possible de comparer cela aux gens évanouis, ou sous hypnose. Ce sont des instincts très primaires, ce mécanisme fonctionne ainsi. Il permet une grande résilience,
(capacité à surmonter des traumatismes) par la suite. Cette petite fille pourra très bien s’en sortir dans la vie. »
Lorsque la découverte de Zeena est annoncée aux médias, une polémique éclate : les secours auraient-ils pu secourir la jeune fille plus tôt ? À cette question, Éric Maillaud, le procureur de la République d’Annecy de l’époque, est catégorique : aucune erreur n’a été commise.