Một trong những nhân chứng có mặt từ đầu tại hiện trường là Nguyễn Văn Hải, 35 tuổi cho biết: "Khoảng giữa trưa ngày 18/12 tôi nghe thấy có người từ nghĩa trang chạy lên nói phát hiện một người phụ nữ nằm sấp máu chảy nhiều và không thấy cử động. Tôi liền cùng vợ và một người nữa chạy đến để giúp đỡ. Khi đến nơi thì phát hiện người này đã tắt thở. Cách nơi nạn nhân khoảng 10 mét là chiếc xe đạp của người buôn bán ve chai nằm chỏng chơ. Chúng tôi liền gọi điện báo cho chính quyền địa phương”. 

Ngay sau khi sự việc xảy ra, Công an TP. Thanh Hóa nhanh chóng có mặt để điều tra vụ việc. Qua công tác khám nghiệm hiện trường và khám nghiệm tử thi cho thấy, trên thái dương của nạn nhân có nhiều vết thâm tím khả năng do bị vật cứng đập vào. Ngoài ra trên người của nạn nhân có nhiều vết đâm chém, nặng nhất là vết đâm thấu tim và một vết cắt sâu ở cổ. Cách nơi người phụ nữ bị sát hại khoảng vài trăm mét phát hiện có một chiếc ví không có tiền chỉ còn lại giấy tờ tùy thân. Từ đây cơ quan chức năng đã xác định danh tính nạn nhân là Nguyễn Thị Hiền (40 tuổi) trú tại xã Hoằng Thịnh, huyện Hoằng Hóa, tỉnh Thanh Hóa. Ngoài công việc chính làm ruộng, chị Hiền còn tranh thủ đi thu mua đồng nát từ các nơi để bán lấy tiền nuôi con ăn học.

Chồng chị hàng ngày phải tranh thủ đi làm thuê nghề thợ mộc để kiếm thêm thu nhập.  

Vào thời điểm chị Nguyễn Thị Hiền bị sát hại, có nhiều nhân chứng nhìn thấy Nguyễn Ngọc Tùng (SN 1995) trú tại thôn Sơn Vạn, phường Đông Hải TP Thanh Hóa đang lang thang ở khu vực triền đê gần hiện trường với nhiều biểu hiện nghi vấn. Dù là người nghễnh ngãng hiện đang được hưởng chế độ dành cho người tàn tật nhưng Tùng vẫn có thể nói và nghe được. Tùng hay có tính trộm cắp và đã từng có lần do bi bắt quả tang, người dân đánh trọng thương gia đình phải mang đi cấp cứu. Những đồ trộm cắp được Tùng thường mang ra cất giấu ở bụi tre nơi gần nghĩa địa (cách làng 500 mét và cũng là nơi xảy ra án mạng) rồi bán cho những người buôn đồng nát. Căn những chứng cứ thu thập được và từ những nguồn thông tin do quần chúng nhân dân cung cấp, cơ quan CSĐT Công an TP. Thanh Hóa đã triệu tập Nguyễn Ngọc Tùng để làm rõ những điều nghi vấn. Sau một thời gian đấu tranh, Tùng đã buộc phải thừa nhận hành vi gây tội ác của mình đối với chị Hiền vào trưa ngày 18/12.

Hôm đó, Tùng hẹn chị Hiền ra địa điểm gần nghĩa địa để bán đồng nát. Sau khi cân xong và được trả tiền, Tùng phát hiện trong ví của chị Hiền có nhiều tiền nên nổi lòng tham cướp ví tiền. Trong lúc giằng co, vật lộn Tùng đã lấy hòn đá đập vào đầu nạn nhân. Mặc dù chị Hiền đã cố vùng bỏ chạy nhưng Tùng vẫn tiếp tục đuổi theo đập nhiều nhát vào người chị Hiền, phát hiện có người đi trên đường và thấy chị Hiền vẫy tay cầu cứu, sợ bị lộ Tùng quay lại dùng dao mang theo đâm liên tiếp vào nạn nhân cho tới khi tử vong. Hiện cơ quan công an ra lệnh bắt tạm giam đối với Nguyễn Ngọ Tùng để điều tra làm rõ.