Ngày 16-2, mới khoảng hơn 5 giờ sáng, trời rét căm căm, cả Hà Nội vẫn chìm trong giấc ngủ say nồng thì toàn bộ các lực lượng thuộc Công an quận Hoàn Kiếm, các điều tra viên Đội trọng án Phòng PC 14 và một số lực lượng nghiệp vụ khác đã được lệnh lên đường vì có án mạng xảy ra. Tại ngôi nhà số 70 Quán Sứ, cụ bà Cần Thị Xuân, 84 tuổi đã bị giết chết trên một căn phòng ở tầng 2. Kết quả khám nghiệm hiện trường cho thấy, cụ Xuân bị nhét giẻ vào miệng, toàn bộ trang sức đeo trên người bị mất, đồ đạc trong phòng bị xáo trộn. Lời khai của thân nhân cụ Xuân cho biết: Cụ Xuân sống cùng người giúp việc là chị Hoàng Thị Lý, 45 tuổi, quê ở Hưng Hà, Thái Bình trên tầng 2 còn con gái cụ là bà Hoàng Thị Dung cũng sống ở cùng số nhà này nhưng ở dưới tầng 1.

Khoảng hơn 4 giờ sáng, đột ngột bà Dung nhận được điện thoại của chị Lý, giọng đầy hoảng hốt báo tin, cụ Xuân đang bị nạn trên tầng 2. Khi bà Dung lên đến tầng 2 thì cụ Xuân đã chết, còn người giúp việc tên là Lý thì đã không còn ở đó nữa. Nhưng chỉ khoảng hơn hai giờ sau, khi Cơ quan điều tra đang tiến hành các biện pháp nghiệp vụ cần thiết thì chị Hoàng Thị Lý đột ngột trở về. Chị Lý khai nhận rằng, khoảng hơn 1 giờ sáng, chị Lý bị thức giấc bởi hai người lạ một nam, một nữ đột nhập vào căn phòng nơi chị và cụ Xuân ngủ. Hai người này đã nhét giẻ vào miệng cụ Xuân, khống chế chị không cho kêu cứu, sau đó lục soát tủ lấy đi nhiều tài sản trên người cụ Xuân và trong tủ.

Trước khi tháo chạy, hai đối tượng này đã bắt ép chị trèo tường ra phố Quán Sứ đi bộ theo chúng đến hồ Thiền Quang rồi thuê một chiếc xe ôm chở cả ba ra bến xe Giáp Bát. Sau đó cả ba lại tiếp tục đi đến bến xe Nước Ngầm ở cách đó một đoạn. Tại đây bọn chúng đã cho chị Lý 100 nghìn đồng và bảo chị Lý phải về quê ngay còn bọn chúng thì bắt xe đi tiếp đâu chị Lý không rõ. Sau khi bọn chúng đi khuất, chị Lý vì thương cụ Xuân nên đã quay về bến xe Giáp Bát gọi điện thoại về nhà bà Dung báo tin cho bà Dung rồi đi xe buýt trở lại ngôi nhà số 70 Quán Sứ.

Mọi nghi vấn ban đầu đều tập trung vào chị Hoàng Thị Lý vì những lời khai của chị Lý mới nghe có nhiều điểm nghi ngờ. Nhưng, với tinh thần làm việc khách quan, thận trọng, không để lọt kẻ gian nhưng cũng không được làm oan người vô tội, các điều tra viên đã cẩn thận xác minh tỉ mỉ, chi tiết từng lời khai của chị Hoàng Thị Lý. Hàng chục điều tra viên đã được huy động để tìm lại tất cả những nhân chứng trong cuộc "hành trình" của chị Lý từ ngôi nhà 70 Quán Sứ cho đến bến xe Nước Ngầm. Chỉ ba ngày sau, kết quả xác minh cho thấy, những lời khai của chị Hoàng Thị Lý là sự thật và người đàn bà vô tội này ngay lập tức được loại ra khỏi diện nghi vấn của Cơ quan điều tra, mặc dù dư luận vẫn đổ dồn nghi ngờ vào chị.

Nhiều mũi điều tra viên khác của Công an quận Hoàn Kiếm và Đội Điều tra trọng án lại tỏa đi các hướng đều tra tại nhiều tỉnh, thành phố với mục đích rà soát tất cả các đối tượng có quan hệ với nạn nhân, và gia đình nạn nhân, những người đã từng làm giúp việc cho gia đình cụ Xuân, những đối tượng trộm cắp đêm thường hoạt động trên địa bàn quận Hoàn Kiếm.

Cho đến ngày 28-2, tức là sau 12 ngày xảy ra vụ án, bằng các biện pháp nghiệp vụ, một mũi điều tra viên đã khéo léo thu thập được dấu vân tay của hai đối tượng hiềm nghi là hai chị em ruột Đinh Thị Hoa, 22 tuổi và Đinh Sĩ Dần, 19 tuổi ở đội 9 xã Trường Sơn, Đức Thọ, Hà Tĩnh. Các dấu vết này lại trùng với dấu vân tay của các thủ phạm để lại ở hiện trường.

Rạng sáng ngày 2-3, tại Hà Tĩnh, hai tổ truy bắt do Thượng tá Nguyễn Đức Chung, Phó trưởng Phòng PC 14 và Thượng tá Nguyễn Mạnh Hùng, Phó trưởng Công an quận Hoàn Kiếm chỉ huy đã bắt được tên Đinh Sĩ Dần. Bốn ngày sau, Đinh Thị Hoa cũng bị bắt. Tại Cơ quan Công an, Dần khai nhận, Hoa có một thời gian làm giúp việc cho cụ Xuân ở 70 Quán Sứ, Hà Nội nên Hoa rất thông thạo đường ra lối vào ở ngôi nhà cụ Xuân đang ở. Sau khi thôi làm giúp việc ở đây Hoa đã về quê, lấy chồng và hiện đang có thai bốn tháng.

Ngày 10-2, dù bụng mang dạ chửa nhưng Hoa đã rủ em trai của thị là Đinh Sĩ Dần ra Hà Nội để trộm cắp tài sản của gia đình cụ Xuân. Năm ngày sau, hai chị em Hoa ra Hà Nội, ngồi đợi ở Cung Văn hóa Hữu nghị Hà Nội đến khi trời xẩm tối thì cùng nhau lẻn vào nhà cụ Xuân, nấp dưới gầm giường. Đến khoảng một giờ sáng, đợi cụ Xuân và chị Lý ngủ say, hai chị em Hoa bắt đầu ra tay lục lọi tủ và lấy đồ trang sức trên người cụ Xuân. Bị chị Lý và cụ Xuân phát hiện, Dần đã nhét giẻ vào mồm cụ Xuân cho đến khi cụ Xuân chết để cho Hoa lục lọi tài sản. Sau đó, chúng đã khống chế chị Lý phải đi theo chúng đến bến xe Nước Ngầm.

Nói về vụ án này, các điều tra viên tỏ ra hết sức phấn khởi, phần vì họ đã tìm ra được thủ phạm gây án, phần vì bằng nghiệp vụ điều tra, công an đã xua tan được những nghi ngờ mà dư luận nhằm vào chị Hoàng Thị Lý, một người phụ nữ vô tội.

Trước đó, vào ngày 6-2, các điều tra viên cũng đã tìm ra được nhóm thủ phạm gây ra cái chết oan uổng cho một sinh viên Trường đại học Bách khoa do Nguyễn Văn Tình tức Chi "lé" cầm đầu. Để bắt được nhóm thủ phạm này, các điều tra viên Công an TP Hà Nội đã phải đổ rất nhiều công sức, thời gian, làm việc không có ngày nghỉ.

Thiếu tá Trần Hải Quân - Đội trưởng Đội điều tra trọng án Phòng PC 14 - cho biết: "Ngay cả các dịp lễ, tết, anh em trong đội cũng hầu như không được nghỉ ngơi, nói chi đến ngày thường. Mục đích cao nhất của chúng tôi là làm sao để tìm và bắt được thủ phạm sớm nhất". Quả đúng là anh em điều tra hầu như không có ngày nghỉ ngơi. Các mũi trinh sát vừa mới bắt và dẫn giải Đinh Sĩ Dần từ Hà Tĩnh ra đến Hà Nội chiều tối ngày 2-3 thì ngay ngày hôm sau 3-3 họ lại phải lên đường tiếp tục một cuộc điều tra khác.

Tối 3-3, anh Phạm Văn Khuyến 21 tuổi, nhân viên Nhà hàng Bán đảo Tây Hồ bị đâm chết trên đường Hoàng Quốc Việt. Đây cũng là một vụ trọng án mà việc điều tra gặp rất nhiều khó khăn vì tại hiện trường xảy ra vụ án thời điểm đó vắng người qua lại. Ngay cả người bạn ngồi sau xe của nạn nhân cũng không nhận dạng được hung thủ vì sự việc xảy ra quá nhanh. Trong quan hệ với các đồng nghiệp ở nhà hàng, nạn nhân cũng không có mâu thuẫn lớn với ai. Nhưng trong quá trình tổ chức điều tra, bằng kinh nghiệm nghề nghiệp, các điều tra viên đã đặc biệt chú ý tới một sự việc mà nếu như nghiệp vụ điều tra không sắc sảo thì sẽ rất dễ bị bỏ qua. Đó là cùng ngày xảy ra vụ án, vào buổi sáng, nạn nhân Phạm Văn Khuyến đã trêu ghẹo, sàm sỡ với cô Phạm Thị Thu Hà là nhân viên nấu bếp của nhà hàng và bị cô Hà phản ứng.

Cơ quan điều tra cũng bước đầu xác định được, buổi tối cùng ngày cô Hà đã gọi điện kể lại việc này với bạn trai của mình là Nguyễn Xuân Đại, 23 tuổi, nhân viên Nhà hàng bia 99 Nguyễn Tuân và bảo Đại tìm đánh Khuyến để cảnh cáo. Sau khi nhận được điện thoại của Hà, Đại đã chuẩn bị một dao nhọn cùng với Nguyễn Bá Linh, 23 tuổi ở Trâu Quỳ, Gia Lâm đón đường anh Khuyến để "cảnh cáo", Hoàng Văn Đoán, 30 tuổi, quê ở Yên Khánh, Ninh Bình, một người quen của anh Khuyến đã cung cấp cho Đại đặc điểm nhận dạng cũng như quy luật đi lại của anh Khuyến. Sau đó, vào lúc 21 giờ 30 phút, khi anh Khuyến đang đi xe máy cùng một người bạn trai về nhà trọ thì đã bị Đại đâm chết. Từ "nút mở" này, chỉ 3 ngày sau, Cơ quan điều tra đã xác định được thủ phạm chính và bắt giữ toàn bộ 4 đối tượng gây án gồm: Nguyễn Xuân Đại, Nguyễn Bá Linh, Phạm Thị Thu Hà và Hoàng Văn Đoán.

Trước đó, vào ngày 22-2, vụ anh Nguyễn Mạnh Hùng sinh năm 1964 trú tại tổ 60, phường Tương Mai, quận Hoàng Mai bị đâm chết ở gần nhà cũng đã được Công an Hà Nội làm rõ được thủ phạm.