Treåringen kom in till Skaraborgs sjukhus med svåra skador i tisdags kväll. Barnet kunde inte räddas, utan avled av sina skador dagen därpå.
Den misstänkte mannen hämtades in till förhör redan på tisdagskvällen och anhölls tidigt på onsdagsmorgonen. Den misstänkte mannen ska enligt polisen vara bekant med barnens mamma.
Mannen fortsätter neka till brott, uppger hans advokat Fredrik Kron för TT inför förhandlingen.
En kvinna anhölls tidigare under utredningen, men hon är inte längre misstänkt för brott säger åklagaren till P4 Skaraborg.