Ban giám đốc tỉnh đã giao cho Phòng Cảnh sát hình sự làm chủ công, truy xét nhân thân bị hại, phá án. Phòng đã huy động hàng chục trinh sát phối hợp với các đơn vị nghiệp vụ vào cuộc.

Theo hồ sơ vụ án, đêm 24 rạng sáng 25/1/2008, tại nhà anh Nguyễn Chí Hưng, ở xóm Kho, thôn Phú Mỹ, xã Mỹ Đình, huyện Từ Liêm, Hà Nội xảy ra vụ cháy lớn, hậu quả làm anh Hưng chết tại chỗ; chị Bùi Thị Thu Hà, SN 1976 và cháu Nguyễn Thảo Hiền, SN 2001, là vợ và con gái anh Hưng bị bỏng nặng. 

Mặc dù đã được mọi người đưa đến bệnh viện cấp cứu, nhưng do bị bỏng quá nặng, chị Hà và cháu Hiền đã bị tử vong sau đó 6 ngày. Ngoài cướp đi sinh mạng của 3 con người trong gia đình anh Hưng, đám cháy còn thiêu hủy hoàn toàn 3 chiếc xe máy cùng một số đồ vật, tài sản có giá trị khác... 

Bằng sự kiên trì và lòng quyết tâm lực lượng điều tra vụ án nhận được thông tin khả năng thủ phạm gây án có quan hệ với gia đình nạn nhân và do mâu thuẫn với người thân của nạn nhân đã cấu kết với đối tượng bên ngoài để phạm tội. Xác minh theo hướng dựng các mâu thuẫn trong nội bộ gia đình nạn nhân, lực lượng điều tra đã phát hiện một số đối tượng liên quan đến vụ án.

Ngày 31/12/2008, cùng với việc thực hiện lệnh bắt, khám xét khẩn cấp nơi ở đối với Thuận, căn cứ vào kết quả điều tra vụ án, Phòng CSĐT tội phạm về TTXH - Công an TP Hà Nội đã tiến hành bắt, khám xét khẩn cấp đối với Bùi Tiến Hà (SN 1959, trú huyện Trấn Yên, tỉnh Yên Bái - công nhân Công ty MTĐT huyện Trấn Yên) và Hoàng Hải Tiệp (SN 1980, ở xã Cổ Nhuế, huyện Từ Liêm, sinh viên tại chức trường Cao đẳng Du lịch) là 2 đối tượng đã tiếp tay cho Thuận thực hiện hành vi phạm tội. 

Sau khi đã bàn bạc, thống nhất với nhau kế hoạch hành động, ngày 23/1/2008, Hà đi mua 5 lít xăng ở chợ Mỹ Đình. Đêm 24, rạng sáng 25/1/2008, hắn cùng với Tiệp mang can xăng đến trước cửa nhà anh Hưng để thực hiện hành vi đốt nhà. Chúng đã dùng 1 chiếc thước thợ bằng nhôm, dạng ống để luồn qua khe cửa nhà anh Hưng, rót xăng qua đó cho chảy lênh láng vào trong nhà người bị hại, rồi dùng diêm châm lửa đốt. 

Trong khi ngọn lửa đang bùng lên dữ dội trong nhà anh Hưng, Hà và Tiệp vẫn ung dung đóng cửa nằm ngủ trong ngôi nhà đang xây dựng dở dang của Thuận, ở liền kề đám cháy. Sau khi gây án, Hà được Thuận cho chiếc điện thoại di động Samsung và Tiệp được kẻ chủ mưu vụ án đốt nhà, giết người cho ở trọ nhờ cùng với 500.000 đồng.