Theo kết quả điều tra ban đầu: Khoảng 6h ngày 26/10, sau khi nhận được tin báo của gia đình về cái chết bất thường của em Nguyễn Thị Diễm Phúc (11 tuổi, ngụ tại ấp 2, xã Tân Hiệp, huyện Phú Giáo, Bình Dương), Phòng PC45 nhanh chóng phối hợp cùng Phòng Kỹ thuật hình sự Công an tỉnh Bình Dương tổ chức khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi.
Qua khám nghiệm ban đầu, cơ quan Công an phát hiện em Phúc có biểu hiện bị xâm phạm tình dục trước khi giết, mặt khác, tài sản trên người của nạn nhân cũng bị biến mất.
Nhận định tính chất nghiêm trọng của vụ án, Phòng PC45 nhanh chóng phối hợp cùng Công an huyện Phú Giáo dựng lại các mối quan hệ của gia đình nạn nhân trong thời gian gần đây và thành lập hai tổ trinh sát khẩn trương truy lùng thủ phạm.
Trong lúc cơ quan Công an đang ráo riết truy tìm thủ phạm thì chị Nguyễn Thị Ngọc Diễm (chị ruột em Phúc) cung cấp một nguồn tin quý giá rằng đã có xích mích với người tình tên Trần Anh Phi (18 tuổi, ngụ tại ấp 1A, xã Phước Hòa, huyện Phú Giáo). Nhưng, sau khi vụ án xảy ra thì thấy Phi có nhiều biểu hiện bất minh về mặt tâm lý và thường xuyên hỏi han về cái chết của em Diễm.
Qua tiến hành các biện pháp nghiệp vụ, kết hợp cùng các tài liệu chứng cứ khác thu thập được đến tối 27/10, Phòng PC45 phối hợp cùng Công an huyện Phú Giáo đã đủ cơ sở để bắt giữ Phi về hành vi giết người, hiếp dâm, cướp tài sản.
Tại cơ quan Công an, Phi khai nhận, khoảng tháng 8/2012, Phi có quen biết tình cảm với Nguyễn Thị Ngọc Diễm là chị ruột của nạn nhân. Đến tháng 5/2013, Phi đến làm thuê và ở tại nhà Diễm. Ngày 24/10, Phi và Diễm có xích mích với nhau nên Phi bỏ về nhà.
Khoảng 4h sáng 26/10, Phi điều khiển xe máy của mình quay lại nhà Diễm thì thấy chỉ có em gái Diễm là em Nguyễn Thị Diễm Phúc ở nhà một mình. Lúc này, Phi nảy sinh ý định hiếp dâm em Phúc nên xuống nhà bếp lấy dao khống chế và thực hiện hành vi đồi bại. Lo sợ bị em Phúc tố giác với gia đình, Phi đã bóp cổ em Phúc đến chết và cướp 1 đôi bông tai, 1 chiếc vòng và một điện thoại di động của nạn nhân rồi bỏ trốn về nhà