Theo thông tin từ gia đình nạn nhân, vào khoảng 14h ngày 10/11, chị Thắm nhận được một cuộc điện thoại từ một số máy lạ rủ đi mua khoai lang. Đến 19h cùng ngày, gia đình vẫn không thấy chị Thắm về nên tổ chức đi tìm nhiều nơi nhưng không thấy. Cùng thời điểm, anh Hoàng Văn Tuấn (chồng chị Thắm) nhận được một tin nhắn từ số máy di động của vợ với nội dung: “Vợ mày trong tay bọn tao, mày chuẩn bị 700 triệu đồng để chuộc vợ, nếu báo Công an thì mày không nhận được xác vợ mày đâu. Bọn tao cho mày thời gian trong vòng một ngày để chuẩn bị, tao sẽ liên lạc lại sau”.
Sau khi nhận được tin nhắn trên, gia đình anh Tuấn liên tục liên lạc vào số máy trên nhưng không liên lạc được và không biết chị Thắm đang ở đâu. Đối tượng cũng không cho biết địa điểm cụ thể để giao tiền. Đến 15h ngày 11/11, trong lúc gia đình anh Tuấn đã chuẩn bị tiền đầy đủ theo yêu cầu để giải cứu con tin thì lực lượng Bộ đội Biên phòng huyện Tuy Đức trong lúc đi tuần tra tại khu vực đường vanh đai biên giới giáp với Campuchia thì phát hiện thi thể nạn nhân…
Từ những chứng cứ thu thập được, cơ quan điều tra Công an tỉnh Đắk Nông xác định đây là vụ án giết người vì mâu thuẫn cá nhân chứ không phải bắt cóc tống tiền như nhận định ban đầu. Bằng các biện pháp nghiệp vụ, cơ quan điều tra thấy nổi lên Vũ Đình Thản (26 tuổi, quê tại xã Đồng Quan, huyện Gia Lộc, Hải Dương), là đối tượng có nhiều nghi vấn. Thản là bạn hàng buôn bán nông sản với chị Thắm và chính là người gọi vào số máy của chị Thắm trước khi nạn nhân rời khỏi nhà. Ngay sau khi chị Thắm mất tích thì Thản cùng vợ con đều không có mặt tại địa phương.
Hai tổ công tác gồm các trinh sát dày kinh nghiệm lập tức lên đường truy tìm đối tượng. Đến chiều 19/11, các trinh sát phát hiện bắt giữ Thản tại quê của hắn. Trước những chứng cứ mà các trinh sát đưa ra, Thản đã phải cúi thừa nhận toàn bộ hành vi phạm tội của mình.
