Trước đó 4 ngày, những người sống cùng khu nhà với Samsonova trong lúc đi tập thể dục buổi sáng, đã tình cờ phát hiện ra các phần thi thể đang trong quá trình phân hủy, với phần đầu và tứ chi được bọc trong tấm vải rèm nylon giấu trong bụi cây gần đó...
Danh tính nạn nhân được xác định là cụ Valentina Ulanova 79 tuổi, sống độc thân trên tầng 3 bên cạnh căn hộ của Samsonova. Khu nhà này tọa lạc tại số 10 phố Dimitrova, trong phu phố Kupchino, quận Frunzenskiy, thành phố Saint Petersburg, vốn là nơi trú ngụ của những người từng làm việc tại Công ty Du lịch Intourist chuyên phục vụ khách nước ngoài trước kia. Samsonova là một hướng dẫn viên thông thạo 2 ngoại ngữ Anh và Đức, đã nghỉ hưu và sống độc thân.
Khi cảnh sát kiểm tra căn hộ một phòng của nạn nhân, thì người ra mở cửa chính là Samsonova, cùng lời biện bạch rằng: "Thường xuyên sang đây để chăm sóc người hàng xóm cao tuổi, cũng như không hay biết gì về sự mất tích đường đột của chủ nhân". Nhưng kết quả khám nghiệm hiện trường sau đó cho thấy vết máu trên tấm rèm bồn tắm bị cố ý xé rách, qua giám định pháp y lại trùng khớp với mẫu máu của Samsonova.
Camera giám sát khu nhà ghi lại cảnh Samsonova đem các phần thi thể nạn nhân đi phi tang.
Cơ quan điều tra xác định các hình ảnh từ camera giám sát cửa ra vào khu căn hộ thấy rõ chính Samsonova mang một bao vải nylon lén lút phi tang giữa đêm khuya. Trước những bằng chứng không thể phủ nhận, hung thủ hết đường chối cãi buộc phải cúi đầu nhận tội.
Cảnh sát liền tiến hành lục soát nơi ở của Samsonova, phát hiện ra cuốn nhật ký cá nhân của hung thủ được viết bằng 3 thứ tiếng Nga, Anh và tiếng Đức, trong đó mô tả chi tiết những hành vi giết người tàn bạo của mình. Trong nhật ký, Samsonova ghi rõ ý định, rằng muốn trở thành người nổi tiếng với giới truyền thông trong nước và quốc tế trước khi "nhắm mắt xuôi tay"(?!).
Hiện trường vụ án tại căn hộ của cụ V. Ulanova.
Riêng vụ sát hại người hàng xóm được mô tả ở phần cuối cuốn nhật ký là vì tư thù cá nhân, do trước khi nghỉ hưu cụ V. Ulanova từng là "bà sếp bẳn tính" trực tiếp phụ trách nhóm hướng dẫn viên trong đó có Samsonova. Sau khi cho nạn nhân uống thuốc trị bệnh tim mạch pha lẫn độc dược nồng độ cao, dẫn đến tử vong vào đêm 22 rạng sáng ngày 23/7, hung thủ đã kéo xác nạn nhân vào bồn tắm, rồi dùng cưa và dao cắt rời các phần thi thể trước khi đem đi phi tang...
Ngoài ra, cảnh sát cũng tìm thấy một cuốn sách thuộc dạng bí truyền trong nhà nữ sát thủ Samsonova, với các trang bị xé rách trùng với những trang sách được phát hiện gần thi thể một vụ án bí ẩn, xảy ra vào năm 2003 ở vùng ngoại ô Saint Petersburg. Trong nhật ký hung thủ Samsonova mô tả việc lần lượt sát hại tới 10 người, bắt đầu từ cuối những năm 90 thế kỷ trước trong đó có cả việc Samsonova đã ra tay giết chính người chồng của mình vào năm 2005, sau đó đi báo cảnh sát là ông nhà bị mất tích... Hay một trang khác ghi lại những hình xăm ở phần trên cơ thể, phù hợp với thi thể của một xác chết mất đầu vào cuối năm 2011...
Theo Trung tá Sergei Kapitonov, Trưởng phòng Khoa học hình sự thuộc Sở Cảnh sát Saint Petersburg, thì các nhà điều tra đang tiến hành thu thập thêm những bằng chứng liên quan, nhằm xác định hung thủ Samsonova có phải là thủ phạm chính của 10 vụ án mạng rùng rợn tại địa phương trong hơn chục năm trở lại đây hay không.
Trong lịch sử tư pháp Liên bang Nga xưa nay những tên phạm tội giết người hàng loạt đều là nam giới, khiến "sát thủ mặc váy" Samsonova trở thành nữ hung thủ đầu tiên phạm trọng tội này. Theo giới tư pháp thì nếu bị kết tội sát thủ giết người hàng loạt thì hung thủ Samsonova có thể lĩnh mức án tối đa là chung thân truất quyền ân giảm, bởi ngay từ năm 1996 Chính phủ Liên bang Nga đã quy định đình hoãn việc tuyên phạt mức án tử hình, cho dù hình phạt tử hình chưa được luật pháp chính thức bãi bỏ.