Il 9 giugno 2005, Van der Sloot e i fratelli Kalpoe sono stati arrestati perché sospettati di aver rapito e ucciso Holloway. La legge di Aruba permette l'arresto per gravi sospetti da parte degli investigatori; per continuare a tenere il sospetto in custodia, un crescente onere probatorio deve essere soddisfatto a revisioni periodiche. Secondo Dompig, l'attenzione era su questi tre sospetti fin dall'"inizio". Dompig ha dichiarato che la sorveglianza dei tre è iniziata tre giorni dopo la denuncia della scomparsa di Holloway, e comprendeva sorveglianza, intercettazioni telefoniche, e anche il monitoraggio delle loro e-mail. Dompig ha indicato che la pressione della famiglia di Holloway li ha indotti a fermare prematuramente la sorveglianza e a trattenere i tre sospetti. Lunedì 4 luglio, dopo le udienze davanti a un giudice, Deepak e Satish Kalpoe sono stati rilasciati, ma Joran van der Sloot è stato detenuto per altri sessanta giorni.
Il 15 aprile 2006 Geoffrey von Cromvoirt fu arrestato dalle autorità arubane perché sospettato di reati legati al traffico di narcotici illegali che, secondo il procuratore, avrebbero potuto essere collegati alla scomparsa di Holloway. Alla sua prima apparizione in tribunale, la sua detenzione è stata estesa per otto giorni. Tuttavia, Von Cromvoirt fu rilasciato il 25 aprile 2006. Inoltre, un altro individuo con le iniziali "A.B." fu arrestato il 22 aprile 2006, ma fu rilasciato lo stesso giorno.
Il 17 maggio 2006 un altro sospetto, Guido Wever, figlio di un ex politico arubano, è stato arrestato nei Paesi Bassi con il sospetto di aver assistito al rapimento, al pestaggio e all'uccisione di Holloway. Wever fu interrogato per sei giorni a Utrecht. Mentre inizialmente i procuratori di Aruba hanno chiesto il suo trasferimento sull'isola, è stato invece rilasciato per accordo tra il procuratore e l'avvocato di Wever.
Con gli investigatori di Aruba che citano ciò che è stato descritto come nuove prove scoperte, Joran van der Sloot e Satish e Deepak Kalpoe sono stati nuovamente arrestati il 21 novembre 2007, con il sospetto di essere coinvolti in "omicidio colposo e aver causato gravi danni fisici che hanno portato alla morte di Holloway". Van der Sloot fu detenuto dalle autorità olandesi nei Paesi Bassi, mentre i fratelli Kalpoe furono entrambi detenuti ad Aruba. Van der Sloot è successivamente tornato ad Aruba ed è stato incarcerato.
Nel novembre 2007, Dave Holloway ha annunciato una nuova ricerca per sua figlia, sondando il mare oltre le profondità originali di 330 piedi (100 m) in cui le ricerche precedenti avevano avuto luogo. Quella ricerca, che coinvolge una nave chiamata Persistence, è stata abbandonata per mancanza di fondi alla fine di febbraio 2008 senza che sia stato trovato nulla di significativo.
Il 30 novembre 2007, un giudice ha ordinato il rilascio di Satish e Deepak Kalpoe, nonostante i tentativi dell'accusa di prolungare la loro detenzione. I due fratelli sono stati rilasciati il giorno seguente. L'accusa si è appellata al rilascio dei Kalpoe. L'appello è stato negato il 5 dicembre 2007, con la corte che ha scritto: "Nonostante le costose e lunghe indagini sulla sua scomparsa e sulle persone che potrebbero essere coinvolte, il dossier contro il sospettato non contiene indicazioni dirette che Natalee sia morta a causa di un crimine violento". Van der Sloot è stato rilasciato senza accuse il 7 dicembre 2007, a causa della mancanza di prove che lo implichino e della mancanza di prove che la Holloway sia morta come risultato di un crimine violento. L'accusa ha indicato che non avrebbe fatto appello.
Il 18 dicembre 2007, il procuratore Hans Mos dichiarò ufficialmente chiuso il caso, e che nessuna accusa sarebbe stata presentata per mancanza di prove. L'accusa ha indicato un interesse continuo nei confronti dei Kalpoe e di Joran van der Sloot (anche se ora non sono più legalmente sospettati), e ha affermato che uno dei tre, in un messaggio in chat, aveva dichiarato che Holloway era morta. Questo è stato duramente contestato dall'avvocato di Deepak Kalpoe, che ha dichiarato che l'accusa, nel tradurre dal Papiamento all'olandese, aveva frainteso un riferimento a un insegnante annegato come a Holloway. L'avvocato Ronald Wix ha anche dichiarato: "A meno che (Mos) non trovi un corpo nel bagno di uno di questi ragazzi, non c'è più modo di arrestarli".