Liên quan đến vụ việc, cơ quan điều tra đã bắt khẩn cấp 4 đối tượng để điều tra gồm: Nguyễn Đăng Việt (SN 1995, ở ngõ 19 đường Thanh Bình, Mộ Lao, Hà Đông), Ngô Minh Hiếu (SN 1998, ở Đồng Tân, Ứng Hòa, Hà Nội), Dương Đức Trung (SN 1996, ở Hoàng Xá, Ứng Hòa, Hà Nội) và Đỗ Mạnh Cường (SN 1998, ở Ngô Quyền, Quang Trung, Hà Đông, Hà Nội).

Tại cơ quan điều tra, bước đầu các đối tượng khai nhận: Chiều 6/10, khi đi xe máy đến đường Nguyễn Viết Xuân (Hà Đông), Việt, Hiếu và Trung nhìn thấy Nguyễn Đức Mạnh (SN 1996, ở khối Độc Lập, phường Vạn Phúc, quận Hà Đông) và Nguyễn Hồng Nhung đang ngồi trong quán nước.

Do nghi ngờ Mạnh trộm tiền của mình nên Trung đã xông tới đánh. Bị tấn công, Mạnh bỏ chạy. Còn Trung, Việt, Hiếu quay về nhà Đỗ Mạnh Cường lấy dao và rủ Cường cùng đi tìm  Mạnh. 

Vừa thấy Mạnh và hai cô gái đang đứng ở bờ hồ Dền Khê, Trung, Việt, Cường rút dao truy đuổi.

Quá hoảng sợ, Mạnh vội nhảy xuống hồ để trốn truy sát. Do không biết bơi và bị nhóm của Trung cầm gạch đá ném trúng người nên Mạnh tử vong dưới nước. Gây án xong, các đối tượng bỏ trốn.

Đến 20h40 cùng ngày, lực lượng cứu hộ đã vớt thi thể nạn nhân Mạnh.

Theo các điều tra viên, nạn nhân và các nghi phạm đều là bạn bè của nhau. Đặc biệt, nhóm nghi phạm đều là thanh thiến niên hư mới lớn, có hoàn cảnh gia đình đặc biệt, hay tụ tập, bỏ nhà đi bụi.