Theo kết quả điều tra ban đầu, khoảng 23 giờ ngày 24-12, Công an TP Hà Nội nhận được tin báo của Công an thị xã Sơn Tây về việc người dân phát hiện có đám khói trong căn nhà số 66, ngõ 24 phố Chùa Thông, phường Sơn Lộc, thị xã Sơn Tây.
Người dân sau khi mở cửa vào trong nhà thì phát hiện ông Nguyễn Văn Chúc (58 tuổi) và vợ là bà Lê Thị Nhỡ (57 tuổi) đã bị giết hại, căn nhà đang bốc cháy.
Ngay sau khi nhận được tin báo, Phòng CSĐT tội phạm về TTXH (PC45, Công an TP Hà Nội) đã phối hợp cùng với Phòng Kỹ thuật hình sự (PC54), Công an thị xã Sơn Tây và các đơn vị liên quan tiến hành khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi và tổ chức điều tra làm rõ vụ việc.
Qua tài liệu ban đầu thu thập được, cơ quan điều tra xác định đây là vụ án giết người, cướp tài sản, hủy hoại tài sản đặc biệt nghiêm trọng xảy ra, không có nhân chứng, đối tượng gây ra vụ việc cực kỳ manh động, liều lĩnh, hung hãn.
Sau khi gây án, đối tượng đã đốt nhà nạn nhân nhằm che giấu hành vi phạm tội của mình. Khi vụ án được phát hiện, do đối tượng đã phóng hỏa đốt nhà làm lực lượng PCCC đã phun nước chữa cháy làm xáo trộn hiện trường, mất dấu vết, gây khó khăn trong công tác điều tra.
Sau 18 tiếng đồng hồ, bằng các biện pháp điều tra, đến 17 giờ ngày 25-12, Cơ quan CSĐT Công an TP Hà Nội đã làm rõ và bắt giữ được đối tượng gây án là Nguyễn Công Ngọc (SN 1990, trú tại Xuân Khanh, thị xã Sơn Tây, TP Hà Nội).
Quá trình đấu tranh, Ngọc khai thường chơi lô đề với bà Lê Thị Nhỡ, mỗi lần từ 25 đến 50 điểm (tương đương từ 500.000 đến 1 triệu đồng). Tính đến ngày 16-12, Ngọc đã thua và viết giấy vay nợ bà Nhỡ số tiền 23 triệu đồng.
Khoảng 17 giờ ngày 22-12, khi Ngọc đi chơi qua chỗ bà Nhỡ ghi lô đề thì bị bà Nhỡ gọi vào đòi tiền, do chưa có tiền trả nên bà Nhỡ đã chửi mắng Ngọc. Cho rằng bà Nhỡ xúc phạm mình, Ngọc rất tức tối và nảy sinh ý định giết vợ chồng bà Nhỡ để trả thù.
Để thực hiện hành vi của mình, chiều 23-12, Ngọc đã lấy một búa sắt loại 0,3 kg, cán gỗ dài 30 cm cất vào cặp đen ở phòng ngủ khu tập thể, cùng một dao nhọn do Ngọc mua từ trước.
Khoảng 18 giờ ngày 24-12 Ngọc mang một cặp màu đen (dạng laptop) bên trong có búa sắt, dao nhọn điều khiển xe máy Yamaha Jupiter màu đỏ-đen mang BKS 37S2-3889 đi từ khu tập thể Nhà máy Z151 đến gửi xe máy trong BV Quân y 105 (ở thị xã Sơn Tây), sau đó Ngọc bắt taxi đến đầu ngõ 24 phố Chùa Thông rồi đi bộ vào nhà bà Nhỡ.
Đối tượng Nguyễn Công Ngọc tại cơ quan điều tra.
Ngọc tắt điện lục soát từng phòng tầng 1 đến tầng 3 và đã lấy được ba nhẫn tròn bằng kim loại màu vàng, hai khuyên tai bằng kim loại màu vàng, bốn điện thoại di động, một đôi dép tổ ong màu vàng, một mũ bảo hiểm. Lúc này, Ngọc nảy sinh ý định đốt nhà vợ chồng ông Chúc để che giấu hành vị phạm tội nên Ngọc đi vào phòng tầng 1 tìm bật lửa đốt chiếc chăn nhung ở trên giường rồi đóng cửa cài then cửa ngoài và móc treo ổ khóa vào chốt nhưng không bấm khóa.
Sau đó, Ngọc điều khiển xe máy đi đến cầu Vĩnh Thịnh thì dừng lại ở khu vực giữa cầu, vứt búa, dao, ba chiếc điện thoại, áo khoác màu đen, đôi giày thể thao, găng tay gây án xuống sông rồi đi về.
Phòng PC45 Công an TP Hà Nội đã phối hợp với Công an thị xã Sơn Tây khám xét nơi ở của Ngọc, kết quả đã thu giữ được vật chứng liên quan đến vụ án gồm: một chiếc điện thoại Nokia màu đỏ, ba nhẫn tròn bằng kim loại màu vàng, bên trong nhẫn có in chữ Kim Ngân 9999, hai khuyên tai bằng kim loại màu vàng, một áo khoác màu vàng Ngọc mặc khi gây án, một đôi dép tổ ong Ngọc lấy trong nhà nạn nhân.