Bước đầu xác định, tối 18/12, Cao Văn Hùng đến quán ngồi uống bia rồi mâu thuẫn với nhóm khách khác ngồi trong quán. Sau đó, Hùng bị nhóm này đánh bằng tay chân. Do bực tức vì bị đánh, Hùng gọi xe taxi đến chợ Cổ Nhuế mua 1 xô nhựa rồi mang đi mua xăng. Đến khoảng 23h cùng ngày, Hùng quay lại quán cafe và hất xăng vào quán, châm lửa đốt.
Ngọn lửa bùng lên dữ dội, bắt cháy vào xe máy và vật dụng bên trong tầng 1, làm những người bên trong không thể ra ngoài bằng cửa chính, phải chạy lên các tầng trên, dẫn đến hậu quả 11 người tử vong và 4 người bị thương. Sau đó, Cao Văn Hùng bị cơ quan Công an bắt giữ.
Như thông tin đã đưa, hồi 23h03 ngày 18/12, tổng đài 114 Trung tâm Thông tin chỉ huy Công an TP Hà Nội tiếp nhận tin báo cháy quán cafe tại số 258 Phạm Văn Đồng, phường Cổ Nhuế 2, quận Bắc Từ Liêm. Ngay lập tức, Công an TP Hà Nội đã điều động lực lượng Cảnh sát PCCC Công an TP và Công an các quận Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Cầu Giấy, Thanh Xuân, Tây Hồ đến hiện trường phối hợp chính quyền, người dân địa phương tổ chức chữa cháy, cứu nạn, cứu hộ. Đến 23h40 cùng ngày, đám cháy được khống chế, lực lượng chức năng đã hướng dẫn, hỗ trợ đưa 5 người thoát ra ngoài (có 4 người bị thương đang được cấp cứu tại bệnh viện) và phát hiện 11 người đã tử vong.
Trước tính chất nghiêm trọng của vụ việc, Giám đốc Công an TP đã chỉ đạo các đơn vị nghiệp vụ khẩn trương điều tra, làm rõ nguyên nhân vụ cháy. Đến khoảng 0h ngày 19/12, Công an TP Hà Nội đã bắt giữ được đối tượng đốt quán cafe là Cao Văn Hùng (SN 1973, HKTT tại Cổ Nhuế 2, Bắc Từ Liêm, Hà Nội; hiện trú tại: Đại Mạch, Đông Anh, Hà Nội); có 2 tiền án về tội “cướp tài sản” và “trộm cắp tài sản”.
Căn cứ vào các tài liệu thu thập được, Cơ quan CSĐT Công an TP Hà Nội đã ra quyết định khởi tố vụ án, khởi tố bị can đối với Cao Văn Hùng để điều tra về hành vi "Giết người".
Thủ tướng yêu cầu khẩn trương điều tra vụ cháy quán cafe ở đường Phạm Văn Đồng 
