Först greps två män, 23 och 33 år gamla, vid 03.10-tiden under natten mot lördagen misstänkta för våldtäkt. Polisen inledde tekniska undersökningar och de misstänkta förhördes på lördagsmorgonen.
Men efter förhör försattes männen på fri fot och i stället grep polisen en tredje man som senare anhölls av åklagare.
Den våldtäktsmisstänkte mannen är 19 år och våldtäkten ska ha skett på en restaurangtoalett i centrala Linköping på fredagskvällen.
Det är i nuläget okänt om offret har fått några allvarliga fysiska skador.
– Men jag vet att kvinnan har mått väldigt dåligt, säger Marie Larsson, stationsbefäl vid polisen i Linköping.