Sau 2 ngày vụ án xảy ra, Cơ quan CSĐT đã làm rõ và bắt khẩn cấp Đỗ Văn Hải (SN 1988) và Nguyễn Văn Thắng (SN 1991), cùng trú tại xã Xuân Đỉnh, huyện Từ Liêm là hung thủ gây án. Tại cơ quan công an, Thắng và Hải khai nhận tối 9-11, Thắng cùng 2 bạn gái là Bùi Thu Trang và Bùi Thị Hậu đến quán của anh Toàn uống nước. Sau khi mua 1 bao thuốc lá, Thắng để bao thuốc xuống bàn. Một lát sau, anh Toàn vào quán bán hàng thay vợ, do không biết bao thuốc Thắng đã mua nên rút 1 điếu ra để hút. Thấy vậy, Thắng tỏ ra tức giận mặc dù sau khi biết mình lấy nhầm thuốc của khách, anh Toàn đã chủ động xin lỗi Thắng. Thanh toán tiền xong, vẫn chưa hết hậm hực, Thắng gọi điện kể lại câu chuyện cho Hải và rủ Hải đến đánh anh Toàn.
Thắng và Hải mang theo 1 côn sắt 3 khúc và dao bấm. Khi đến nơi, Thắng dùng gậy sắt lao vào đánh anh Toàn. Thấy chồng bị đánh, chị Liên vợ của anh Toàn lao vào ôm Thắng để ngăn cản. Trong lúc bỏ chạy, anh Toàn bị trượt chân ngã, Hải rút dao bấm trong người lao vào đâm 5 nhát. Sau khi gây án, Thắng và Hải đi taxi về nhà trọ của một người bạn ở xã Cổ Nhuế (Từ Liêm) để lẩn trốn. Hôm sau, các đối tượng tiếp tục bỏ trốn lên Thái Nguyên. Đến đêm 11-11, khi Hải và Thắng quay về Hà Nội thuê nhà nghỉ Biển Nhớ ở phố Trần Quốc Hoàn, Cầu Giấy thì bị công an bắt giữ.
Cơ quan CSĐT CAQ Cầu Giấy cũng tạm giữ hình sự 5 đối tượng gồm: Chu Văn Tài (SN 1971), Chu Văn Trường (SN 1985); Trần Văn Chuyên (SN 1983) đều ở huyện Từ Liêm; Bùi Thị Hậu (SN 1990) ở quận Cầu Giấy và Trần văn Tuấn (SN 1991), trú tại huyện Võ Nhai, Thái Nguyên để xử lý về hành vi che giấu tội phạm và không tố giác tội phạm.
