當伊藤堅持要告，在警局等待她的，卻是三名拿著人偶、要求她說明自己是如何遭到性侵的男性警官。伊藤說，警方無視她「派女警協助調查」的要求，由男警察們拿著真人大小的人偶在她身上擺弄，面對這種羞辱式的調查與蒐證，她唯有努力不去回想當時的情境，才有辦法繼續配合調查。在長達兩個月的調查時間裡，如果調查員一換人（但全是男性），就會問她「到底是不是處女」，伊藤後來也對訪問她的BBC說：「到底為什麼要問那麼多次？」
伊藤自承這段時間讓她非常痛苦，連班都沒辦法去上。「走在街上只要看到背影很像他（被告）的人，就會陷入恐慌」。不過警方也找到了當初載他們倆去飯店的計程車司機，證實了伊藤在車上一直要山口讓她回家，後來根本就昏睡了過去。2015年6月，警方一度要拿著逮捕令到成田機場抓人，但最後一刻行動卻緊急叫停。伊藤說，沒人願意告訴她，到底發生了什麼事。
日本媒體踢爆：加害人與安倍交好
日本雜誌《週刊新潮》在2017年曾經揭露，山口敬之當時能夠逃過一劫，就是因為他是深獲安倍信賴的「貼身記者」，還幫安倍寫過政治傳記《總理》。《週刊新潮》稱，警方的逮捕行動之所以叫停，是因為警視廳刑事部長中村格親自下令，要求不要到機場抓人。而中村格曾擔任日本內閣官房長官菅義偉的秘書，素有「菅長官的右腕」之稱。《週刊新潮》還指控，山口敬之是少數可以直接撥電話給安倍的政治記者，因此肯定是安倍政權對此案直接施壓。報導刊出後，中村格承認是他下令，但表示這與政府高層介入完全無關。
之後又經過了1年多，東京地檢署2017年5月才以「準強姦罪」的證據不充分為由，決定不予起訴。伊藤除了向審查不起訴處分是否適當的「檢察審查會」提出申訴，並在5月29日召開記者會公布自己的長相和名字。
她後來曾這麼說：「我想改變性侵受害者總是被檢討的狀態，也想改變傳統上認為性侵受害者該有的樣子。」
但2017年9月，東京第六檢察審查會於依舊做出了「不起訴適當」的決議，這也代表伊藤詩織不能就性侵一事再對山口敬之提出刑事訴訟。由於刑事制裁無望，伊藤詩織隨即以「因未獲同意的性行爲受到精神痛苦」為由，對山口敬之提起損害賠償的民事訴訟，並且對其求償1100萬日圓，並且將其經歷寫成《黑箱》（Black Box）一書，指控日本在應對性侵案的種種黑箱。
2017年10月，伊藤詩織再以英語召開國際記者會，她的遭遇也被國際社會視為日本MeToo運動的代表。在女權受到極度壓抑的日本，勇敢面對傷痛、選擇挺身而出的伊藤雖然獲得不少聲援，但其實她的家人也不贊成這麼做，而且社會上竟然出現種種批評聲浪，甚至有人說她只是想藉著出名「獲利了結」。根據《紐約時報》報導，日本《東京新聞》的女記者望月衣塑子原本要深入報導這起事件，但在男性同事與長官的反對下遭到撤稿，理由是「伊藤詩織沒有馬上去醫院」。
