Ngay sau khi nhận tin báo, xác định đây là vụ án đặc biệt nghiêm trọng, lãnh đạo Công an tỉnh Hải Dương và Công an huyện Ninh Giang huy động tối đa cán bộ chiến sĩ của các đơn vị nghiệp vụ, tập trung lực lượng triển khai các biện pháp điều tra. Đến ngày 16/12/2012, bước đầu đã làm rõ được tung tích nạn nhân là bà Vũ Thị Liên, 48 tuổi, (giáo viên trường Tiểu học xã Văn Giang), hiện trú tại thôn 2, xã Văn Giang, huyện Ninh Giang, tỉnh Hải Dương. Theo gia đình bà Liên cho biết: Khoảng 17h00 ngày 15/12/2012, bà Liên mang theo điện thoại di động và xe mô tô nhãn hiệu Ablade màu đen đỏ BKS 34E1- 08064 đi sang tỉnh Thái Bình dự đám cưới nhưng sau đó không thấy trở về nhà.
Sau 11 giờ khẩn trương điều tra, đến ngày 17/12/2012, lực lượng Công an đã phát hiện 01 đối tượng nghi vấn, thu giữ xe mô tô BKS 34E1- 08064, tại huyện Quỳnh Phụ, tỉnh Thái Bình, được xác định là vật chứng của vụ án. Tại Cơ quan Công an đối tượng bị bắt giữ là Nguyễn Thanh Thùy, 47 tuổi, ở thôn Văn Diệm, xã Hưng Thái, huyện Ninh Giang, tỉnh Hải Dương.
Bước đầu Thùy rất quanh co, không hợp tác với Cơ quan điều tra, y còn đưa ra những thông tin giả, nói đã mua chiếc xe mô tô trên của 02 đối tượng nghiện ma túy với giá rẻ mà không rõ người bán ở đâu. Sau một thời gian kiên trì đấu tranh thuyết phục, đến trưa ngày 17/12/2012, Thùy thừa nhận chính y đã giết bà Liên và cướp xe mô tô trên.
Nguyên nhân dẫn đến vụ giết người cướp tài sản trên, Thùy khai nhận: Bà Liên có vay của Thùy số tiền 97.000.000 đồng, Thùy đã nhiều lần đòi nhưng bà Liên chưa trả. Khoảng 16h00 ngày 15/12/2012, Thùy gọi điện cho bà Liên hẹn gặp tại cầu Hiệp, thuộc địa phận xã Hưng Long. Sau khi gặp nhau, bà Liên chở Thùy bằng xe mô tô nhãn hiệu Ablade BKS 34E1- 08064 ra khu vực nghĩa địa thôn Trại Hào, xã Hưng Long để nói chuyện về việc trả nợ.
Tại đây, hai bên xảy ra mâu thuẫn, Thùy đã rút dao bầu thủ sẵn đâm 01 nhát vào bụng bà Liên làm bà ngã xuống rìa mương nước, Thùy tiếp tục đâm nhiều nhát làm bà Liên chết, rồi cướp chiếc xe mô tô trên