Xác định tính chất nghiêm trọng của vụ án, CAH Từ Liêm đã tập trung lực lượng phối hợp với CAH Lạc Sơn, Hòa Bình và các đơn vị liên quan tiến hành rà soát, ghi lời khai người làm chứng và truy bắt các đối tượng gây án. Căn cứ tài liệu thu thập được, xác định đối tượng gây án là Quách Văn Kích (SN 1989), trú tại xã Phú Lương và Bùi Văn Vượt (SN 1992), trú tại xã Phúc Tuy, Lạc Sơn, Hòa Bình. Cơ quan CSĐT CAH Từ Liêm đã ra lệnh bắt khẩn cấp về tội “Giết người” đối với Quách Văn Kích và Bùi Văn Vượt, đồng thời tổ chức lực lượng khẩn trương truy bắt. Ngay sau đó, CAH Từ Liêm phối hợp với CAH Lạc Sơn, Hòa Bình đã bắt được Quách Văn Kích và Bùi Văn Vượt khi các đối tượng đang trốn tại khu vực dãy núi Trường Sơn thuộc địa phận xã Phú Lương và xã Phúc Tuy.
Tại cơ quan điều tra, Kích và Vượt đã khai nhận hành vi phạm tội như sau: Quách Văn Kích, Bùi Văn Vượt, Bùi Văn Phương là công nhân lao động tự do cho anh Bùi Văn Xếp tại công trình xây dựng Khu đô thị Nam Cường, Cổ Nhuế, Từ Liêm. Tại đây Kích nảy sinh tình cảm với chị Nga là nhân viên cùng tổ xây dựng.
Khoảng 1 ngày 22-5, Kích tỉnh dậy đi ra ngoài lán thợ thì thấy chị Nga đang đứng nói chuyện với anh Phương tại khu vực bể nước gần đó. Nghi ngờ anh Phương tán tỉnh chị Nga, máu ghen trong người nổi lên, Kích cầm chiếc điếu cày đập mạnh vào thành bể khiến nước trong điếu văng vào người anh Phương rồi quát bắt chị Nga vào ngủ. Khi vào lán, anh Phương cầm tay Kích kéo dậy và hỏi tại sao lại làm như vậy. Kích vùng dậy lấy dao tông ở gầm giường chém vào mặt anh Phương. Anh Phương ôm mặt kêu cứu thì Kích cầm dao chém liên tiếp nhiều nhát vào vùng đầu và vai của anh Phương. Chứng kiến hành vi của em họ, Bùi Văn Vượt đã không những không ngăn cản mà còn cầm một thanh xà cầy dài khoảng 80cm đánh vào người anh Phương, làm anh Phương ngã xuống giường. Kích tiếp tục cầm dao chém vào mặt, đầu, Vượt cầm xà cầy đánh vào đùi anh Phương. Anh Phương vùng dậy chạy ra ngoài thì Vượt đuổi theo đánh vào vai và ném xà cầy vào lưng anh Phương rồi quay vào lán. Kích cầm dao đuổi theo anh Phương để chém và giằng co, vật lộn, đồng thời tiếp tục chém nhiều nhát vào người anh Phương. Sau đó, Kích và Vượt bỏ trốn.
Kết quả giám định thương tích của anh Bùi Văn Phương tại Bệnh viện E cho thấy, anh Phương bị 7 vết thương tại vùng mặt trái, trán phải, thái dương bên trái, ngực phải, vai trái. Cơ quan công an đã thu giữ vật chứng là 1 dao tông bằng thép dài 40cm, bản rộng 10cm; 1 thanh xà cầy bằng thép dài 80cm. Ngày 27-5, Cơ quan CSĐT CAH Từ Liêm đã lập hồ sơ, ra lệnh tạm giữ đối tượng để tiếp tục điều tra.
