Когда она не возвратилась домой к утру, родители решили, что девушка провела ночь с мужчиной. Но когда она не пришла и к следующей ночи, они всерьёз забеспокоились. Никто из друзей Дороти не знал, где она находится. Но Фрэнсис Арнольд не стал обращаться в полицию, опасаясь, что это вызовет скандал. Семья прибегла к помощи адвоката и друга старшего брата Дороти, Джона, С. Кита. Все вещи, включая одежду, оставались на своих местах. Адвокат обратил внимание на обнаруженные в камине сгоревшие листы бумаги, текст на которых нельзя было прочесть, а также рекламные проспекты судов, совершавших рейсы из США в Европу. Три недели Кит запрашивал все больницы, тюрьмы и морги Нью-Йорка, а также Бостона и Филадельфии, но женщин, похожих на Дороти, так и не нашел. Сотрудники детективного Агентства Пинкертона посетили несколько нью-йоркских больниц и приютов, но безрезультатно. Европейские сыщики этого агентства встречали все суда, прибывавшие в европейские порты из Нью-Йорка. Группа женщин сообщила, что видела на борту своего лайнера девушку, похожую на Дороти, но эта информация не подтвердилась.
Лишь спустя шесть недель после исчезновения Дороти семья сообщила в полицию о произошедшем. Фрэнсис Арнольд провёл пресс-конференцию, в ходе которой предположил, что дочь, вероятно, подверглась нападению в Центральном парке, где и была убита, а тело брошено в один из водоёмов парка. Он упомянул, что за месяц до произошедшего Дороти сбежала из дома и в течение недели жила с мужчиной, имени которого не назвал. Журналистам удалось разыскать этого мужчину. Им оказался 40-летний инженер Джордж Гриском-младший из Филадельфии. За месяц до исчезновения Дороти солгала родителям, что едет в Бостон, чтобы посетить сокурсницу Брин Маур, а на самом деле отправилась туда для встречи с Грискомом. Любовники жили в двух отелях, но к концу недели их деньги кончились, и Дороти пришлось заложить в ломбард некоторые драгоценности, сообщив своё имя. Через ломбард прессе и удалось выйти на Грискома, который вместе с родителями находился во Флоренции. 16 декабря 1910 года, ещё до обращения в полицию, Арнольды отправили ему телеграмму о Дороти. Гриском ответил, что не знает ничего о её местонахождении. 16 января 1911 года мать и брат Дороти пришли в отель, где жил Гриском. Джон Арнольд набросился на него и угрожал убить, если тот не расскажет, где находится его сестра, но Гриском повторил, что не знает, где девушка, и передал письмо, написанное незадолго до трагедии. В нём Дороти сообщала любовнику о своей депрессии на почве отказов литературного журнала МакКлюра и других аналогичных изданий в печати её рассказа «Листья лотоса». В конце письма были следующие слова: «Всё, что я могу видеть впереди, – это долгий путь в никуда». Гриском опасался, что Дороти покончит жизнь самоубийством. Прибыв в США, он пообещал, что женится на девушке, если она найдется и если согласятся её родители.
Версия о том, что Дороти поскользнулась на обледеневшем тротуаре, ушибла голову и впала в амнезию, отпала после тщательной проверки всех манхэттенских больниц, где её следы не были найдены. Также допускали, что Дороти умерла после неудачного аборта или же покончила жизнь самоубийством из-за отказа Грискома жениться. Еще говорили, что из-за внебрачной беременности Арнольд родители отправили её в Швейцарию, а поиски проводили для отвода глаз. Но Дороти так и не нашлась. Друзья и знакомые девушки считали, что её исчезновение так или иначе связано с Грискомом-младшим, однако полиция не нашла ни одного доказательства причастности этого человека к исчезновению Дороти и подтвердила, что 12 декабря он был за пределами США. Версия суицида также не имела никаких доказательств. Все люди, встречавшие Дороти в день исчезновения, отмечали её приподнятое настроение, а на территории тщательно обследованного Центрального парка не нашлось никаких признаков самоубийства или убийства. К концу 1910-х годов поиски Дороти прекратились. Потративший на них в общей сложности порядка 100 тысяч долларов Фрэнсис Арнольд больше не верил, что его дочь жива. В завещании он указал, что считает Дороти мёртвой и по этой причине не оставляет ей какой-либо доли своего наследства. В 1922 году он ушёл из жизни, а в 1928 году ушла из жизни и мать Дороти.
Из всех версий остаются три основные: убийство, самоубийство и бегство в Европу или в другой город США. В случае, если Дороти была убита или покончила с собой, её тело могло упасть в воду и по какой-то причине не всплыть. Она также могла сбежать в Европу или в другой город США, одна или с любовником. Для маскировки Дороти могла отплыть в другой американский город не из Европы, а добраться до Канады или до других американских атлантических портов. Если действительности соответствует версия с бегством, то дальнейшее можно представить себе следующим образом. Либо Дороти собралась начать совершенно новую жизнь под другим именем и порвать все связи со своей семьей. Либо она умерла еще до кончины своего отца в 1922 году и поэтому не претендовала на его наследство.