Polis telah membuka kertas siasatan berhubung kes kehilangan Sharlinie dan memulakan usaha pencarian secara besar-besaran bagi menjejaki Sharlinie.[11] Pencarian besar-besaran dilakukan oleh polis dan orang ramai.[12] Ribuan rumah di kawasan itu digeledah oleh pihak berkuasa, namun Sharlinie gagal dikesan. Terdapat dakwaan bahawa kanak-kanak itu diikat dengan gula-gula oleh seorang wanita yang tidak dikenali sebelum dipaksa memasuki sebuah kereta hitam.[8]

Selain itu, terdapat juga khabar angin mengenai seorang lelaki, yang digelar "lelaki kucing", telah mendekati gadis itu untuk meminta dalih mencari kucingnya yang hilang sebelum menculiknya. Hanya dua hari sebelum kehilangan Sharlinie, seorang gadis berusia enam tahun, yang bermain tidak jauh dari rumahnya kira-kira dua kilometer dari rumah mangsa yang hilang, diculik oleh "lelaki kucing" yang sama. Namun, kira-kira tiga jam kemudian, dia dijumpai tanpa mengalami kecederaan sekitar 25km di Wangsa Maju.[8]

Fotofit "lelaki kucing" itu kemudian diedarkan secara meluas kepada orang ramai. Keterangan mengenai "lelaki kucing" juga telah didedahkan oleh saksi dan mangsa dalam kes lain dan cubaan penculikan. Pencarian Sharlinie bermula dari beberapa minggu ke bulan dengan beratus-ratus ribu poster kanak-kanak itu diedarkan di seluruh negara. Puluhan panggilan, kebanyakannya palsu, diterima oleh pihak berkuasa dan keluarga mangsa, namun gagal menemui petunjuk mengenai keberadaan Sharlinie.[8]

Ketu Polis Negara (KPN) ketika itu, Musa Hassan telah mengerahkan polis Bukit Aman dan Selangor untuk mencari Sharlinie. Beliau dipetik oleh Utusan Malaysia sebagai berkata: "Kita sedang memburu dua suspek melalui lakaran wajahnya dan akan mengedarkannya kepada media cetak dan elektronik secara meluas. Polis juga berharap orang ramai agar tampil membantu menyalurkan maklumat kerana di kawasan kejadian terdapat banyak gerai".[4][13]

Kehilangan Sharlinie turut mendapat respon daripada Perdana Menteri ketika itu, Abdullah Ahmad Badawi. Beliau menyeru agar penculik memulangkan Sharlinie dan insaf dengan kemarahan rakyat.[14][15] Selain itu, parti-parti politik seperti UMNO, MIC, MCA, PAS, DAP dan PKR turut membantu usaha mencari Sharlinie. Selain lawatan pimpinan parti ke rumah ibu bapa Sharlinie, poster-poster kehilangan Sharlinie turut diedarkan kepada orang ramai.[16][4]

Terdapat juga andaian mengatakan Sharlinie berkemungkinan menjadi mangsa sindiket pemerdagangan orang menurut sudut siasatan polis.[17]