De regreso a Ucrania sumó a los nueve otros 43 asesinatos, y poco después, ante las pruebas encontradas por los agentes en los apartamentos de su novia y su hermano (una pistola robada y 122 objetos pertenecientes a las víctimas), hallaron una razón para arrestarlo. Cuando la policía le pidió los documentos en la puerta de su casa, Onoprienko no les quiso facilitar la tarea, e hizo un esfuerzo vano por conseguir un arma y defenderse. Cuando los policías por fin lo detuvieron, Onoprienko se sentó silenciosamente cruzando los brazos y les dijo sonriendo: "Yo hablaré con un general, pero no con ustedes". Aun así, no le quedó más remedio que confesar sus crímenes y dejar que aquellos le arrestasen.