Sau khi di lý Đinh Xuân Sáng (40 tuổi, trú tại Hà Nam) từ khu vực biên giới Việt Nam - Campuchia ở tỉnh Long An về Hà Nội, công an đã tiến hành lấy lời khai đối tượng trực tiếp nổ súng gây ra cái chết của nạn nhân.
Tại cơ quan điều tra, nghi phạm khai:
"Bị can cầm súng để dọa thôi, nếu nó ngoan thì bỏ qua, không ngoan thì đánh vào mặt nhưng phải có súng ống".
Sáng nói "không nghĩ khẩu súng đạn bi có thể gây thương tích nặng dẫn đến tử vong". Khi nổ súng Sáng không biết có trúng ai hay không, trên đường bỏ trốn thì biết tin cô gái tử vong nên "rất hoảng loạn, chỉ nghĩ chạy càng xa càng tốt".
Án mạng bắt nguồn từ mâu thuẫn trong bữa tiệc lúc rạng sáng ngày 4/7 giữa nhóm Sáng, Vũ Thành Quang (30 tuổi, trú quận Hai Bà Trưng) và một nhóm cô gái, về lời bình phẩm "chiếc đầu trọc".
Về đến nhà Sáng, Sáng và Quang nói chuyện với nhau về sự việc trên và tỏ thái độ bực tức rồi gọi cho Nguyễn Xuân Đạt rủ đi đánh nhau với nhóm của chị H. Cả 3 lên xe ô tô, mang theo súng (kiểu súng bắn đạn bi) quay lại quận Long Biên.
Khi gặp nhóm chị H, Sáng bảo dừng lại nói chuyện nhưng nhóm chị H. bỏ chạy. Sáng điều khiển xe ô tô đuổi theo đến ngõ 264 đường Ngọc Thụy thì gặp xe máy chở chị H. Sáng dùng súng bắn về phía nhóm chị H. Sau khi gây án, các đối tượng bỏ trốn.
Nhóm Sáng lái ôtô về Hà Nam cất giấu rồi bỏ khẩu súng vào hộp, vứt xuống sông ở khu vực huyện Kim Bảng. Sau đó, Sáng liên hệ Phạm Trọng Lưu (53 tuổi, trú Nam Định), kể lại sự việc và nhờ chở vào Khánh Hòa trốn. Lưu đồng ý.
Đến huyện Cam Lâm, Sáng xuống xe. Rạng sáng 10/7, Sáng bị bắt tại khu vực biên giới Việt Nam - Campuchia. Quang bị bắt hôm 4/7 tại Nam Định khi đang trốn vào TP HCM. Tối cùng ngày, biết không thể trốn thoát, Nguyễn Xuân Đạt đã đến trụ sở Công an đầu thú.
Liên quan vụ án, đến nay Công an Hà Nội đã bắt 5 nghi phạm. Trong đó, Đinh Xuân Sáng, Vũ Thành Quang, Nguyễn Xuân Đạt, bị khởi tố về tội Giết người. Phạm Trọng Lưu và Hoàng Văn Hiệp (41 tuổi, trú Hà Nam) đối mặt cáo buộc Che giấu tội phạm.