La police remonte sa trace grâce au témoignage livré par le chauffeur de taxi après qu'il ait vu la photo du fugitif diffusée dans la presse. Luka Magnotta prend un billet d'autobus à l'agence de la compagnie d'autocar Eurolines du 18e arrondissement de Paris. Le jeudi 31 mai 2012, il ne revient plus à l'hôtel. Dans la soirée, il se rend à la gare routière internationale de Paris-Gallieni de Bagnolet et emprunte un autocar Eurolines vers 19 h 30 en direction de Berlin, en Allemagne. La police française retrouve des affaires, des revues pornographiques et des sacs vomitoires de la compagnie d'avion dans la chambre d'hôtel. Durant le trajet Paris-Berlin, il voyage aussi sous le pseudonyme de Kirk Tramell - nom de famille inspiré de Catherine Tramell, personnage du film Basic Instinct - grâce à son faux passeport. Il arrive à la gare routière (ZOB Berlin Am Funkturm) à l'ouest de Berlin le 1er juin 2012 vers 9 h 15. Le 1er juin, un nouveau mandat d'arrêt est émis : Magnotta est accusé de meurtre au 1er degré, d'outrage à cadavre, d'envoi de matériel obscène par la poste et de menaces à l'encontre du Premier ministre du Canada et de plusieurs députés fédéraux, qui ne sont pas nommés dans le mandat.

Le lundi 4 juin 2012, peu avant midi, Luka Magnotta se rend dans un cyber-café, le Spätkauf, dans le quartier populaire de Berlin-Neukölln, au sud de la ville, où le gérant l'installe au poste no 25. Son visage lui semble familier, mais il ne le reconnaît que lorsque ce dernier consulte des sites français reprenant une série d'articles le concernant, ainsi que son avis de recherche. Le gérant avertit les autorités une première fois, puis une seconde fois, en arrêtant une voiture de patrouille, conduite par des policiers stagiaires, qui passait dans la rue. Luka Magnotta est finalement arrêté sur place peu après 13 h 30. Il donne dans un premier temps une fausse identité, puis se résigne en disant : « vous m'avez eu. » Il est arrêté par la police allemande dans le calme et ressort menotté, sous l'œil d'une caméra de surveillance. Il a alors les cheveux courts et blond peroxydé.