Pero el martes 22 la Gioconda seguía sin estar en su pared habitual y, cuando se preguntó al fotógrafo, éste se encogió de hombros argumentando que no sabía nada del cuadro. En realidad la pintura la tenía Vincenzo Perugia, un ex-empleado del museo que había aprovechado el turno de noche para llevarse la pintura bajo el brazo.
Vincenzo escondió la pintura en su apartamento en Florencia, en Italia. Supuestamente, al llegar la policía al lugar para hacer las pesquisas correspondientes, se llegaron a firmar documentos encima del lienzo ya que este estaba escondido bajo el mantel de la mesa de la cocina.
La policía registró el museo de arriba abajo y las pesquisas llegaron hasta Apollinaire y de él a Pablo Picasso, ya que había adquirido dos esculturas robadas del Louvre a un tal Pieret. Picasso devolvió las esculturas y negó cualquier relación con el robo mientras Apollinaire fue absuelto.
Mientras tanto, Vincenzo Perugia trato durante más de dos años vender la Gioconda a diversos museos, pero siempre recibía la misma respuesta de sus directores: tenía que tratarse de una falsificación. Al fin encontró un comprador: la galería Uffizi de Florencia, en Italia. Pero días más tarde, el dueño de la galería aviso a la policía francesa y Vincenzo Perugia fue detenido.
Los herederos de Vincenzo alegan que el robo se realizó por razones patrióticas: Vincenzo quería traer la pintura de regreso a Italia después de haber sido robada por Napoleón. Aunque, quizás haya sido sincero en sus motivos, Vincenzo aparentemente no sabía que Leonardo da Vinci llevó esta pintura como un regalo para el rey Francisco I cuando este lo llamó a Francia para que fuera pintor de su corte. Llevado a juicio, la corte aceptó que Peruggia cometió el delito por razones patrióticas y lo envió a la cárcel por un año y quince días por lo que fue conocido como el "Robo del Siglo" por la prensa de la época.