Uma câmera de segurança registrou Ana Sophia se despedindo da colega e retornando, como se estivesse voltando para casa, no entanto, ela nunca chegou na sua residência. Aquele foi o último registro da criança. A suspeita é de que ela tenha desaparecido nesse trajeto.No mesmo dia, a família de Ana Sophia registrou na polícia o desaparecimento, e as buscas começaram no dia seguinte.Na quarta-feira, 5 de julho, a Polícia Civil começou a procurar pela menina, com apoio da Polícia Militar e Corpo de Bombeiros. Uma força-tarefa foi montada, e as buscas já aconteceram na casa da menina, em imóveis vizinhos, em açudes e nas matas da região. Foram usados cães farejadores, drones, helicóptero, mergulhadores dos Bombeiros e até retroescavadeira para reduzir o volume de um açude.
O delegado Diógenes Fernandes, da delegacia de Solânea, que também acompanhava o caso, disse que, por causa do tempo do desaparecimento, a hipótese de homicídio passou a ser considerada. No entanto, há também a possibilidade de um sequestro. O delegado também afirmou que a polícia considera a hipótese de que a menina tenha sido vítima de um crime cometido por alguém próximo.Um vídeo que mostra uma criança entrando em uma casa, numa rua próxima de onde a menina desapareceu, também foi investigado pela polícia. Não se sabe ao certo se é Ana Sophia na imagem por causa da distância e da qualidade do vídeo. Mas a casa foi toda vistoriada há uma semana e nada foi encontrado. No local e na vizinhança moram outras crianças.
Mais recentemente, Tiago Fontes, o homem que teve a casa vistoriada pela polícia, desapareceu pouco depois das buscas na própria residência.
