Sau khi sự việc xảy ra, Thiếu tướng Lê Hồng Nam, Giám đốc Công an TP Hồ Chí Minh đã chỉ đạo Công an quận Bình Thạnh cùng các cơ quan liên quan nhanh chóng tiến hành điều tra, thu thập chứng cứ, khởi tố Trang và Thái.
Đại tá Nguyễn Sỹ Quang, khẳng định Công an TP Hồ Chí Minh và các cơ quan liên quan đã và đang tiến hành điều tra, xử lý vụ việc một cách hết sức khách quan, nghiêm minh, đúng quy định pháp luật và đúng người đúng tội. Trong quá trình điều tra, nếu thu thập được các chứng cứ tài liệu mà có thể khởi tố các đối tượng ở tội danh khác thì Cơ quan điều tra thay đổi tội danh đối với các đối tượng gây ra vụ việc.
Xét tính chất nghiêm trọng của vụ án, tối 1/1/2022 Công an TP Hồ Chí Minh cho biết vụ việc này đã được Công an quận Bình Thạnh chuyển hồ sơ lên Văn phòng Cơ quan Cảnh sát điều tra (CSĐT) Công an thành phố để tiếp tục điều tra, xử lý.
Trước đó, ngày 30/12, Văn phòng Chính phủ đã có văn bản truyền đạt ý kiến chỉ đạo của Phó Thủ tướng Thường trực Chính phủ Phạm Bình Minh về xử lý hành vi hành hạ, xâm hại trẻ em trong vụ việc này. Phó Thủ tướng Thường trực Chính phủ Phạm Bình Minh yêu cầu Bộ Công an, UBND TP Hồ Chí Minh tiếp tục chỉ đạo các lực lượng chức năng khẩn trương điều tra, làm rõ vụ việc để xử lý nghiêm những người liên quan theo quy định của pháp luật, không bỏ lọt tội phạm.
Theo diễn tiến điều tra, Cơ quan CSĐT Công an quận Bình Thạnh đã củng cố nhiều thông tin, chứng cứ, trích xuất camera cho thấy Nguyễn Võ Quỳnh Trang có những hành vi “Cố ý gây thương tích”. Đáng nói, trước khi tử vong, bé gái 8 tuổi đã bị Trang đánh đập, hành hạ dã man khoảng 4 tiếng dẫn đến kiệt sức, ngất đi.
Trước đó, Trang sống chung như vợ chồng với Thái cùng cháu N.T.V.A. (con ruột Thái) từ giữa năm 2020 tại một căn hộ ở chung cư Saigon Pearl, quận Bình Thạnh. Trong thời gian sống chung, Trang nhiều lần dùng tay chân hoặc nhiều loại dụng cụ, roi, đánh đập, hành hạ cháu A.
Bằng các biện pháp nghiệp vụ, ngày 23/12, Cơ quan CSĐT Công an quận Bình Thạnh xác định Trang có dấu hiệu bạo hành, đánh đập bé gái dẫn đến tử vong nên đã bắt khẩn cấp Trang để tiếp tục điều tra.
Đến ngày 28/12, Cơ quan CSĐT Công an quận Bình Thạnh đã khởi tố vụ án, khởi tố bị can và tạm giam Trang để điều tra về hành vi hành hạ người khác.
Ngày 31/12, Cơ quan CSĐT Công an quận Bình Thạnh bắt giữ người trong trường hợp khẩn cấp đối với Nguyễn Kim Trung Thái để điều tra về hành vi hành hạ, ngược đãi con ruột.
Tại cơ quan điều tra, Trang thừa nhận nhiều lần dùng roi mây đánh, la mắng cháu gái lúc dạy học. Thái còn cho biết bản thân biết Trang dùng roi, cây để đánh con mình nhiều lần, liên tiếp và đánh gây thương tích ở một số vùng nguy hiểm trên cơ thể, có thể ảnh hưởng đến tính mạng của con gái. Tuy nhiên, Thái không nghĩ đến hậu quả nghiêm trọng xảy ra nên vẫn để Trang “dạy dỗ” con gái mình thời gian qua.
Kết quả sơ bộ khi giải phẫu, khám nghiệm tử thi, cơ quan chức năng xác định cháu gái tử vong do phù phổi cấp, trên cơ thể có nhiều tổn thương bầm tụ máu, gãy nhiều xương sườn, khu vực phần đầu cũng có vết thương, tụ máu, não phù…
Khẩn trương điều tra, xử lý nghiêm vụ bạo hành bé gái 8 tuổi tử vong 
Bé gái 8 tuổi nghi bị người tình của bố bạo hành tử vong 
