В 20:20 подводная лодка прошла в опасной близости от круизного лайнера AIDAbella между фортом Миддельгрунн и портом Копенгагена, после чего продолжила свой путь на юг по проливу Дрогден вокруг острова Амагер и на юго-запад в Кёгебуктен. Путешествие проходило в некоторых местах под водой. Валль отправила Стоббе несколько сообщений, в которых она писала, что всё в порядке. После полуночи сообщения прекратились[29].

11 августа в 1:43 (по некоторым источникам, в 2:30)[30] Стоббе совершил звонок в полицию и сообщил о пропаже Валль[31][29]. В 3:39 датская полиция получила предупреждение о предполагаемом морском происшествии[30].

Поиски начались рано утром[28][23]. В них участвовали вооружённые силы Швеции и Дании[30]. 11 августа в 10:14 Nautilus был замечен в заливе Кёге к юго-востоку от Амагера возле маяка Дрогден[дат.][27][28]. В 10:30 была установлена радиосвязь с Мадсеном. Тот сообщил, что у него возникли технические проблемы с подводной лодкой и обстановка на борту спокойная[23][30]. В 11 утра подводная лодка затонула. Частный катер спас Мадсена. Валль с ним не присутствовала[28][27]. В 13:30 датская полиция объявила, что водолазы пытаются проникнуть внутрь подводной лодки. Данная миссия оказалась провальной[30]. Расследование по исчезновению Валль возглавил полицейский из Копенгагена Йенс Мёллер (швед. Jens Möller)[29]. Полиция начала подозревать, что Мадсен намеренно затопил подводную лодку[32][33]. Он был арестован по подозрению в убийстве по неосторожности[30]. Изначально на допросе Мадсен утверждал, что накануне вечером в 22:30 остановился около полуострова Рефсхалеёэн, чтобы высадить Ким Валль[23][30].

12 августа Nautilus был поднят со дна и доставлен в северную гавань Копенгагена на осмотр[30][23]. Экспертиза показала, что подводная лодка затонула не случайно, а в результате преднамеренного действия[23][34]. В тот же день Мадсен был арестован по подозрению в причинении смерти другому лицу[28][30]. 13 августа в 10 часов утра была проведена судмедэкспертиза. В 11:30 датская полиция провела пресс-конференцию и сообщила, что на подводной лодке не обнаружено тела и что подводная лодка стала рассматриваться как возможное место преступления[30]. 14 августа начальник дежурства полиции Копенгагена Хенрик Брикс (швед. Henrik Brix) сообщил газете Expressen, что полиция не исключает, что Валль могла быть увезена за границу, например в Германию[30]. 16 августа статья была переквалифицирована в «причинение смерти другого человека при „особо отягчающих обстоятельствах“»[30]. 19 августа датская газета Helsingør Dagblad[англ.] сообщила, что Мадсен хотел что-то починить на подводной лодке незадолго до её затопления[30]. 21 августа Мадсен признался, что выбросил тело Валль в море[30]. В тот же день велосипедист нашёл туловище на юго-западной стороне острова Амагер[31]. К её туловищу был прикреплен металл, чтобы оно не всплыло[35]. Полиция заявила на пресс-конференции, что частично были найдены останки женщины, однако личность погибшей пока не была установлена[30]. Утром 23 августа датская полиция сообщила через сервис Твиттер, что останки, найденные в море, принадлежат Валль. Тело было опознано с помощью генетической дактилоскопии. Также была проведена пресс-конференция, во время которой сообщили, что на борту подводной лодки были обнаружены следы крови[30]. 29 августа полиция провела повторный обыск подводной лодки[30].

3 сентября адвокат Мадсена Бетина Хальд Энгмарк (швед. Betina Hald Engmark) сообщила, что он хочет, чтобы повторное слушание было открытым[30]. Через два дня окружной суд Копенгагена открыто провёл новое слушание по делу Мадсена. Он был помещён под стражу на четыре недели по подозрению в убийстве или непредумышленном убийстве, а также нарушении порядка[30].

3 октября были проведены новые слушания по делу о задержании Мадсена. Он был повторно арестован после обнаружения на его жёстком диске фотографий пыток и убийств женщин[30]. 6 октября датские полицейские водолазы с помощью шведских поисковых собак обнаружили в заливе Кёге два пластиковых пакета, в которых находились голова, ноги, одежда Валль, а также нож[36][37].