Trước đó, khoảng 18h ngày 12/8, một nhóm trẻ em đang chơi đùa trên bờ sông Thống Nhất, thuộc xã Quảng Châu, (Quảng Xương, Thanh Hoá) thì phát hiện một thi thể nữ giới không có quần áo, tay bị trói về phía sau nổi trên mặt nước.
Người dân vớt xác nạn nhân lên bờ rồi báo cáo với cơ quan Công an. Danh tính nạn nhân sau đó được xác định là em Nguyễn Thị Bích Ngọc, 17 tuổi, trú ở thôn Châu Kiều, xã Quảng Châu, là học sinh lớp 12, Trường PTTH Quảng Xương III. Được biết, hôm xảy ra án mạng, em Ngọc ở nhà một mình. Khi mẹ Ngọc đi làm về không thấy Ngọc ở nhà, ở gần bàn học có đôi dép và chiếc kính của Ngọc bị rơi. Đoán trước chuyện chẳng lành, gia đình Ngọc huy động anh em, làng xóm tìm kiếm rồi ra các sông ở gần nhà rà câu, lặn tìm xác em Ngọc nhưng không có kết quả.
Ngay khi nhận được tin, Giám đốc Công an tỉnh Thanh Hóa đã chỉ đạo Phòng Cảnh sát hình sự phối hợp với Phòng Khoa học hình sự; Công an huyện Quảng Xương và các đơn vị nghiệp vụ khẩn trương khám nghiệm tử thi, điều tra, làm rõ nguyên nhân vụ án và truy bắt đối tượng phạm tội.
Kết quả khám nghiệm xác định, trước khi bị chết, em Ngọc bị đánh bằng vật tày dẫn đến bị thương, bị xâm hại tình dục. Thu thập chứng cứ phối hợp với công tác phát động quần chúng tố giác tội phạm, lực lượng chức năng đã phát hiện, buổi tối trước khi em Ngọc bị mất tích, trong khu vực bị mất điện lưới, một người dân đã nghe tiếng rơi xuống nước rất mạnh ở dưới sông nên ra xem, phát hiện đối tượng Lê Tuấn Anh. Người này hỏi Tuấn Anh xem có việc gì mà gây tiếng động mạnh như vậy, đối tượng bối rối bảo không có việc gì rồi bỏ đi.
Đặc biệt, trước khi xảy ra án mạng, em Ngọc phát hiện có người lạ vào nhà mình nên đã gọi điện cho đồng chí Lý, là cán bộ Công an xã báo cáo sự việc. Tuy nhiên, khi anh Lý đến nơi, cũng là lúc mẹ Ngọc đi làm về, thì nữ sinh này đã không có ở nhà nữa.
Một số người còn còn cho biết thêm đã bắt gặp Tuấn Anh bơi qua sông vào nhà một người dân gần đó mượn quần áo, vay tiền. Từ những thông tin, tài liệu thu thập được, ngày 13/8, Công an tỉnh Thanh Hóa đã có đủ cơ sở ra lệnh bắt khẩn cấp đối với Lê Tuấn Anh về hành vi giết người. Chiều cùng ngày, lực lượng chức năng đã bắt được Tuấn Anh khi hắn đang lẩn trốn ở xã Quảng Đức.
Tại cơ quan Công an, Tuấn Anh khai nhận, do quý mến Ngọc nhưng không được đáp lại nên đã tìm cách tiếp cận nạn nhân. Hôm xảy ra vụ án, Tuấn Anh đến nhà Ngọc định cưỡng bức nữ sinh này. Tuy nhiên, khi Tuấn Anh đang nấp ở vườn ổi của nhà Ngọc, đợi thời cơ để "hành động" thì bị nạn nhân phát hiện, gọi điện thoại báo Công an. Tuấn Anh đã vào nhà dùng gậy và đèn pin đập vào đầu Ngọc khiến nữ sinh này bất tỉnh.
Sợ bị phát hiện, Tuấn Anh đã vác nạn nhân từ nhà ra bờ sông Thống Nhất (cách nhà Ngọc khoảng 100m). Tại đây, lợi dụng trời tối, đối tượng đã cởi quần áo nạn nhân rồi thực hiện hành vi đồi bại.
Gây án xong, Tuấn Anh đã dùng áo lót của Ngọc trói tay nữ sinh rồi ném xuống sông, bỏ trốn tại nhiều địa bàn khác nhau.
Đến chiều 13/8, khi chuẩn bị đón xe đi các tỉnh phía Nam, Tuấn Anh đã bị bắt giữ
