Theo kết luận điều tra, vào khoảng 21h ngày 6/4/2013, Phạm Văn Lý đi ngang nhà bà Mai Thị Thanh Thúy, 52 tuổi, trú tại số nhà 183 đường Trần Hưng Đạo, thị trấn Đức Tài, huyện Đức Linh thì phát hiện nhà bà Thúy khóa cổng ở bên trong, cửa nhà mở, đèn sáng và trong nhà không có ai nên Lý đã nảy sinh ý định đột nhập vào nhà bà Thúy để trộm cắp tài sản.
Ngay sau đó, Lý về nhà (cạnh nhà bà Thúy) và leo qua hàng rào lưới P40 ở sân phía trước nhà Lý để qua nhà bà Thúy. Lý đi theo đường bên hông nhà bà Thúy để ra phía sau thì bị bà Thúy phát hiện.
Lúc này, bà Thúy bỏ chạy về phía trước nhà kêu la thì bị Lý đuổi theo kịp và lấy cục đá hoa cương để ở tường rào đánh 1 cái vào vùng thái dương làm bà Thúy choáng. Phạm Văn Lý dùng tay kẹp cổ, bịt miệng và kéo lê bà Thúy ra nhà bếp. Mặc dù, bà Thúy đã van xin nhưng Lý vẫn dùng dao, kéo có sẵn ở bếp chém, đâm tổng cộng 52 nhát vào người nạn nhân. Sau đó, Lý quăng hung khí lại bên xác nạn nhân rồi Lý đi ra sân sau nhà bà Thúy, cởi áo dính máu quăng lên mái tôn của nhà Lý. Sau đó, Phạm Văn Lý đi lên gian nhà chính của bà Thúy lấy 2 điện thoại di động rồi tẩu thoát theo lối đã đột nhập...
Đến khoảng 12h30 ngày 7/4, Lý gặp và nhờ một người bạn đến chở đi đến cửa hàng điện thoại Trọng Loan ở khu phố 9, thị trấn Đức Tài để bán 1 chiếc điện thoại cướp được tại nhà bà Thúy với giá 1 triệu đồng. Lý lấy tiền và mua lại chiếc điện thoại di động Nokia với giá 500 ngàn đồng dùng để sử dụng.
Bằng các biện pháp nghiệp vụ, ngày 9/4, Phòng CSĐT tội phạm về TTXH, Công an tỉnh Bình Thuận đã phối hợp với Công an huyện Đức Linh đã xác định và tổ chức bắt giữ thủ phạm gây án Phạm Văn Lý tại nhà. Trong quá trình khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi và điều tra, cơ quan CSĐT Công an tỉnh Bình Thuận đã phát hiện và thu giữ một số tang vật gồm: 2 cục đá hoa cương, 4 con dao, 2 cây kéo, 1 cái quần lửng và 1 áo thun của Phạm Văn Lý và một số dấu vết để lại tại hiện trường của hung thủ Phạm Văn Lý trong quá trình giết bà Mai Thị Thanh Thúy…
Qua đấu tranh, Phạm Văn Lý đã khai nhận, do sống ở sát bên nhà của nạn nhân nên hắn nắm rất rõ quy luật sinh hoạt và biết được bà Thúy có tài sản lại sống một mình nên đã nảy sinh ý định trộm cắp tài sản. Khi đột nhập vào nhà bà Thúy để trộm cắp tài sản thì bị bà Thúy phát hiện nên Lý đã thực hiện hành vi giết nạn nhân để phi tang và cướp tài sản