Trước đó, khoảng 13h ngày 18/1, Công an huyện Thạch Thất nhận được tin báo về việc Bệnh viện đa khoa Thạch Thất tiếp nhận 1 ca cấp cứu (bệnh nhân là trẻ em, nữ) trong tình trạng nguy kịch. Ngay từ những dấu vết thương tích đầu tiên được tìm thấy trên cơ thể, nhất là vùng đầu cháu bé đã khiến các trinh sát, điều tra viên xác định đây sự việc đặc biệt nghiêm trọng.
Công an huyện Thạch Thất lập tức báo cáo Ban Giám đốc Công an TP Hà Nội và nhận được chỉ đạo khẩn trương phối hợp cùng Phòng Cảnh sát hình sự, Phòng Kỹ thuật hình sự, Viện Kiểm sát để tiến hành điều tra. Ngay trong chiều 18/1, cơ quan điều tra đã triệu tập mẹ nạn nhân và Nguyễn Trung Huyên - người tình của mẹ cháu Đ.N.A (nạn nhân) cũng là nghi can số 1 gây nên những thương tích ghê rợn trên cơ thể cháu A.
Bị triệu tập, Nguyễn Trung Huyên khá bình tĩnh. Hắn ỉ vào việc bị "nặng tai" bẩm sinh, thường xuyên giả vờ không nghe thấy, không trả lời câu hỏi của các điều tra viên. Khi nào cần trả lời, hắn đều cho rằng không biết những thương tích trên người cháu A, không thừa nhận hành vi phạm tội. Huyên khai rằng, hắn sống như vợ chồng với chị Nguyễn Thị L - mẹ cháu N.A nhưng luôn thương cháu, không bao giờ làm hại cháu.
"Khi nhận được thông tin, chúng tôi xác định thương tích của cháu N.A không thể do ngã hoặc tự nhiên có được mà phải có sự tác động từ bên ngoài với mục đích hết sức dã man là sát hại cháu. Chính vì vậy, người đầu tiên mà chúng tôi nghĩ đến là gã bố dượng bởi thông thường những đối tượng này ghét con riêng của vợ. Lập tức, chúng tôi tổ chức lực lượng, truy tìm và triệu tập đối tượng về cơ quan Công an, đặc biệt là tập trung thu thập tài liệu, chứng cứ chứng minh hành vi phạm tội của đối tượng Huyên" - điều tra viên vụ án cho biết.
Các điều tra viên vụ án cho biết, đối tượng không hề có bệnh lý tâm thần, cũng không "ngáo đá", hắn chưa có tiền án, tiền sự, gia đình thuộc diện căn bản, bố mẹ đều làm ăn lương thiện. Do mẹ mất sớm nên Huyên ở với bà nội, sau đó sống độc lập thuê nhà trọ ở nhiều nơi. Hắn khá lì lợm và không hợp tác. Chính vì vậy, lúc đầu khi bị triệu tập đến cơ quan Công an, đối tượng Huyên loanh quanh, phủ nhận việc liên quan đến những thương tích trên cơ thể cháu A. Khi cán bộ điều tra hỏi về những lần bé A. từng phải đi bệnh viện cấp cứu do thương tích bên ngoài hay nuốt phải dị vật, Huyên đổ lỗi rằng chính do cháu nghịch nên ngã và tự nuốt dị vật.
Tuy nhiên, kết quả phân tích những nguyên lý, cơ chế dẫn đến thương tích trên cơ thể cháu A, cộng với tài liệu điều tra dày công thu thập của Công an huyện Thạch Thất, Phòng Cảnh sát hình sự, Phòng Kỹ thuật hình sự Công an TP Hà Nội và Cục Cảnh sát hình sự - Bộ Công an đã buộc Nguyễn Trung Huyên không thể che giấu tội ác của mình. Hắn buộc phải nhận tội và khai quá trình hành hạ, sát hại cháu A.
Theo lời khai của Huyên thì sở dĩ hắn tìm mọi cách làm hại cháu N.A vì không muốn cháu sống cùng mình, không thích chị L có con riêng. Chính vì vậy, hắn đã tìm mọi cách rất tinh vi để sát hại cháu. Tuy nhiên, sau nhiều lần sát hại cháu bất thành, Huyên đã ra tay tàn ác với cháu bằng những chiếc đinh thợ mộc của hắn.
Huyên cũng khai nhận rõ các lần tìm cách sát hại cháu N.A, tất cả những lần cháu N.A phải nhập viện là do hắn gây ra. Những lần này khá trùng khớp với bệnh án của cháu N.A được lưu tại các bệnh viện. Cụ thể, khoảng tháng 10/2021, cháu bị ngộ độc nên được chị L đưa đi cấp cứu ở Bệnh viện Nhi Trung ương. Tiếp đó, khoảng tháng 11/2021, trong đường tiêu hoá của cháu phát hiện có dị vật (đinh ốc) nên chị L đưa cháu đến Bệnh viện Thạch Thất để lấy dị vật. Tiếp đó, ngày 24/12/2021, cháu A bị gãy tay, được mẹ đưa đi bó bột ở Bệnh viện Đa khoa Xanh pôn.
Luật sư Lê Hồng Vân, Đoàn Luật sư Hà Nội cho biết, những hành vi mà đối tượng đã thực hiện đều có thể dẫn đến chết người. Đối tượng cố ý thực hiện hành vi, mong muốn hoặc bỏ mặc hậu quả chết người xảy ra. Nếu may mắn cháu bé không tử vong là do được cấp cứu kịp thời nên hành vi của đối tượng vẫn có dấu hiệu cấu thành tội giết người với hình phạt cao nhất.
Hà Nội yêu cầu xử lý nghiêm vụ cháu bé bị đóng đinh vào đầu 
Nghi vấn người tình của mẹ đóng đinh vào đầu bé 3 tuổi 
