Do mâu thuẫn trong việc làm ăn, ngày 10/11, Thản gọi điện rủ chị Nguyễn Thị Thắm (sinh năm 1974), trú xã Quảng Trực, huyện Tuy Đức, tỉnh Đắk Nông đến đồi Tân Bửu, xã Quảng Trực mua khoai lang. Tại đây, hai người cãi nhau, giằng co, rồi Thản rút dao đâm chị Thắm chết tại chỗ, lấy điện thoại của nạn nhân ra về.
Tối cùng ngày, Thản nhắn tin cho chồng chị Thắm đe dọa, tống tiền nhằm đánh lạc hướng cơ quan điều tra. Ngày hôm sau, Thản dắt vợ con lên xe ra Bắc trốn.
Đến ngày 19/11, các trinh sát Phòng CSĐT tội phạm về Trật tự Xã hội Công an tỉnh Đắk Nông phối hợp lực lượng thuộc Công an tỉnh Hải Dương bắt giữ Vũ Đình Thản tại huyện Gia Lộc, di lý về Đắk Nông để điều tra, làm rõ về hành vi giết người, cướp tài sản.