Sau khi nhận được tin báo từ nạn nhân, Công an quận Ngũ Hành Sơn lập tức tiến hành trích xuất camera toàn TP, qua đó xác định một nghi phạm nói giọng Bắc đã lái xe rời Đà Nẵng qua hầm đường bộ Hải Vân, di chuyển qua nhiều tỉnh thành và dừng chân tại Khu đô thị Eco Park (Văn Giang, Hưng Yên).

Ngày 10/5, Công an quận Ngũ Hành Sơn phối hợp với công an các địa phương của Hà Nội và Hưng Yên tạo thành nhiều mũi trinh sát, bất ngờ ập vào căn biệt thự C103 Park River, Khu Eco Park. Bị công an phục kích, Tùng và Vinh đang ở tầng 3 liều mình nhảy lầu xuống đất nhằm chạy thoát thân nhưng bị bắt gọn. Bên cạnh đó, công an còn khống chế 4 đối tượng cảnh giới ở tầng 1 căn hộ.

Qua đấu tranh, ngày 12/5, công an thu hồi xe sang Lexus RX 350 đang cất giấu trong gara ở huyện Vụ Bản (Nam Định). Khi đó xế hộp đang được các đối tượng chuyển màu sơn từ đen sang trắng dang dở.