Ngay sau khi nhận được thông tin, CAH Đông Anh và Phòng CSHS CATP Hà Nội đã phối hợp tập trung rà soát truy xét các đối tượng gây án. Quá trình điều tra, cơ quan công an gặp rất nhiều khó khăn bởi thời điểm gây án diễn ra vào ban đêm. Sự việc diễn ra nhanh, nạn nhân chỉ lờ mờ nhận dạng được vài đặc điểm của các đối tượng. Xâu chuỗi những dấu vết đối tượng để lại cùng lời tường trình của người bị hại, chân dung các đối tượng gây án đã được Cơ quan CSĐT dựng lên là Nguyễn Sơn Tùng (SN 1985), ở xã Hiền Ninh, Sóc Sơn và Nguyễn Văn Quảng (SN 1989), ở Văn Giang, Hưng Yên. Lệnh bắt, khám xét khẩn cấp nơi ở của 2 đối tượng được tiến hành ngay sau đó.
Qua đấu tranh, cả Tùng và Quảng bước đầu khai nhận, bản thân không có công ăn việc làm nhưng lại có thói quen “tiêu tiền như nước”, cả hai bàn nhau đi cướp tài sản của lái xe taxi. Vào lúc 23h30 ngày 14-5, Tùng mang theo 2 dao nhọn của Thái Lan cùng 2 đoạn dây cao su dùng để trói, khống chế nạn nhân rồi cho tất cả vào ba lô đi tìm Quảng. Gặp nhau, hai tên ra trạm xe buýt xã Kim Chung, Đông Anh. Đúng lúc này, anh Biên đi xe taxi tới và được Tùng, Quảng vẫy xe, ngồi ở ghế sau yêu cầu chở lên Sóc Sơn. Ngồi trên xe, Tùng hướng dẫn anh Biên đi theo đường Bắc Thăng Long-Nội Bài. Khi đến Quốc lộ 35 đoạn thuộc thôn Tân Trung Chùa, thấy đường vắng người qua lại và lợi dụng lúc anh Biên không để ý, Tùng nhoài người lên, tay cầm dao kề vào cổ anh Biên khống chế.
Trước sự hung hãn của 2 đối tượng, anh Biên không dám chống cự. Đối tượng Quảng lấy dây trong ba lô ra trói tay anh Biên lại. Cả hai lục soát trong người của anh Biên lấy đi 1 điện thoại, 1 máy ảnh và 1 ví ở trong có khoảng 600 nghìn đồng. Cả hai tên khiêng anh Biên xuống ghế sau rồi Tùng tự lái xe đến đoạn đường trước cổng Trung tâm Cứu hộ động vật hoang dã thuộc thôn Tân Dược Thượng, xã Tiên Dược, Sóc Sơn đẩy anh Biên xuống đường rồi tiếp tục phóng xe về thị trấn Quang Minh, Mê Linh. Toàn bộ số tài sản Tùng và Quảng cướp của anh Biên được chúng mang đi cầm cố, lấy tiền ăn tiêu.
