Nhận tin báo, CAQ Hai Bà Trưng phối hợp Phòng nghiệp vụ CATP Hà Nội đến hiện trường khám nghiệm, nhận định vụ việc xảy ra có nhiều dấu hiệu là vụ án hình sự nên cơ quan công an đã quyết định tổ chức điều tra. Sau hơn 10 tiếng đồng hồ rà soát đối tượng, Cơ quan CSĐT đã xác định thủ phạm gây án và ra lệnh bắt giữ khẩn cấp 2 đối tượng về hành vi giết người và huỷ hoại tài sản là: Tạ Văn Hùng (SN 1977, ở xã Thượng Mỗ, huyện Đan Phượng, Hà Nội, có 1 tiền án) và Nguyễn Văn Hiệu (SN 1982, ở xã Thượng Lâm, huyện Mỹ Đức, Hà Nội).
Bước đầu, các đối tượng khai nhận: Tháng 9/2012, Tạ Văn Hùng quen biết Đỗ Tuyết Mai (SN 1984, ở tổ 5, phường Thanh Lương, quận Hai Bà Trưng). Mai thuê nhà 559 Minh Khai để bán cà phê và quần áo. Hùng đã đầu tư thêm cho Mai 50 triệu đồng để kinh doanh quần áo. Đến tháng 10/2012, do nảy sinh mâu thuẫn nên Mai “cắt quan hệ” với Hùng, không cho Hùng đến cửa hàng. Hùng nảy sinh ý định đốt cửa hàng Mai thuê để trả thù.
Đêm 10/11, Hùng kể chuyện và chở Hiệu đi trả thù trên đường đi nhặt chai Lavie mua xăng. Sau một thời gian quan sát, khoảng 1h20 ngày 11/11, thấy vắng người, Hùng cầm chai xăng luồn qua khe cửa phun xăng vào quần áo và bất lửa đốt cửa hàng. Sau khi gây án, hai đối tượng đã bỏ trốn.
CAQ Hai Bà Trưng lập hồ sơ xử lý 2 đối tượng theo pháp luật.