Ngay khi nhận được tin báo, Công an quận Thanh Xuân phối hợp với lực lượng điều tra trọng án Phòng Cảnh sát điều tra tội phạm về trật tự xã hội Công an Hà Nội đã khẩn trương có mặt, tiến hành khám nghiệm hiện trường, thu thập chứng cứ và lời khai.
Ngay trong buổi sáng ngày 9/12, lực lượng công an đã bước đầu xác định được nội dung vụ án và các đối tượng gây án. Ba đối tượng có liên quan đến vụ trọng án này đã bị bắt giữ gồm Hoàng Việt Hải (sinh năm 1985, trú tại phường Thanh Xuân Nam - Thanh Xuân), Nguyễn Tuấn Anh (sinh năm 1988) và Nguyễn Chí Hải (sinh năm 1983), cùng trú tại phố Tôn Thất Tùng - Đống Đa.
Tại cơ quan công an, các đối tượng khai nhận: Khoảng 0h15 ngày 9/12, trên đường đi chơi về, khi đến trước cửa số nhà 105 đường Trường Chinh - Thanh Xuân, bọn chúng có va chạm giao thông với một thanh niên đi xe máy. Sau khi đâm nhau, giữa đôi bên xảy ra lời qua tiếng lại dẫn đến mâu thuẫn, đánh chửi nhau.
Ở thế yếu, anh Phạm Thái Sơn bỏ chạy thì bị các đối tượng nói trên đuổi theo. Chạy được một đoạn, đến trước cửa số nhà 85 Trường Chinh thì Nguyễn Tuấn Anh bắt kịp, dùng dao đâm thẳng vào người nạn nhân làm anh Sơn gục xuống chết tại chỗ.
