Sau một thời gian triển khai, áp dụng đồng bộ các biện pháp nghiệp vụ, lực lượng chức năng đã xác định Nguyễn Văn Phong, 30 tuổi, trú tại Đông Anh (Hà Nội), là nhóm bị hại trong vụ án, đồng thời xác định chủ mưu nhóm đối tượng sử dụng súng gây án là Chu Văn Tiến, 33 tuổi và Vũ Văn Duy, 25 tuổi, đều ở Nội Trì, Tân Hồng (thị xã Từ Sơn). Tuy nhiên, 2 đối tượng này đều không xuất hiện ở địa phương.
Cái khó nhất của chuyên án không chỉ là truy bắt đối tượng gây án bởi các đối tượng đều là đối tượng hình sự, có nhiều thủ đoạn đối phó với cơ quan điều tra, quan trọng hơn đó là sự thiếu hợp tác của nhóm bị hại, đặc biệt là Nguyễn Văn Phong.
Cơ quan điều tra đã nhiều lần mời lên làm việc nhưng Phong không hợp tác và lẩn trốn nhiều nơi. Bằng các biện pháp nghiệp vụ, lực lượng chức năng mới làm việc được với đối tượng này. Sở dĩ như vậy vì bản thân Phong cũng là đối tượng hình sự, có quan hệ phức tạp và một số vi phạm nên cũng sợ bị điều tra.
Khi không tránh được nữa, Phong đành khai nhận do bạn của Phong nợ Tiến một số tiền nên Phong muốn đứng ra “dàn xếp”. Vì vậy, Phong gọi điện cho Tiến nói chuyện. Trong khi nói chuyện, Tiến và Phong xảy ra mâu thuẫn và hẹn đánh nhau trước cửa siêu thị Từ Sơn. Phong đã gọi điện cho một số thanh niên đến siêu thị Từ Sơn giải quyết mâu thuẫn với Tiến. Khi nhóm Phong đang ngồi ở quán nước thì bị nhóm Tiến bắn trọng thương.
Quá trình điều tra, cơ quan chức năng đã đủ cơ sở xác định Tiến và Duy là hai trong số các đối tượng trực tiếp gây án nên ra quyết định khởi tố 2 đối tượng này về tội giết người, tổ chức truy bắt tại nhiều tỉnh, thành phố trong cả nước. Phát hiện Duy xuất hiện tại tỉnh Bình Dương, một tổ công tác đã phối hợp với Công an Bình Dương và các đơn vị nghiệp vụ Bộ Công an, bắt được Duy.
Củng cố hồ sơ, cơ quan điều tra đã khởi tố bị can, bắt tạm giam Nguyễn Tá Học về tội giết người, đồng thời làm rõ, khởi tố bị can đối tượng Đỗ Đặng Công, 22 tuổi, ở Đại Vị, Đại Đồng (Tiên Du) là đối tượng có mặt trong ôtô của Tiến, tham gia vụ án. Còn đối tượng Tiến, sau khi gây án, hắn trốn sang Campuchia sau đó quay về Việt Nam.
Mở rộng vụ án, Công an tỉnh Bắc Ninh còn còn khởi tố, bắt tạm giam 4 đối tượng có hành vi che giấu tội phạm là Chu Văn Hà, ở Nội Trì, Tân Hồng; Phạm Văn Trang, ở Tiến Bào, Phù Khê; Đào Xuân Sáng, ở Xuân Thụ, Đông Ngàn (thị xã Từ Sơn); Quách Hiệp Đưởng, ở Đại Vị, Đại Đồng (Tiên Du).
Ngày 25/10, cơ quan CSĐT Công an tỉnh Bắc Ninh cho biết đã kết thúc điều tra vụ án, đề nghị VKS cùng cấp truy tố 8 đối tượng về các hành vi giết người, che giấu tội phạm
