Theo tài liệu điều tra, từ tháng 9-2011 đến tháng 4-2012, Sử cùng 4 đối tượng khác là Nguyễn Thanh Toản, Nguyễn Tiến Thuận, Nguyễn Văn Quang, Giáp Văn Cường, đều trú tại Bắc Giang đã thực hiện trót lọt 4 vụ vận chuyển ma túy với tổng số 11 bánh heroin.
Đến tháng 4-2012, tại km 200+100 quốc lộ 18, xã Hải Lạng, Tiên Yên, Quảng Ninh, Đội tuần tra kiểm soát 1-4 thuộc Phòng CSGT Công an tỉnh Quảng Ninh kiểm tra xe ô tô biển kiểm soát 98A – 005.31 đi hướng Hạ Long – Móng Cái, phát hiện trong cốp xe có 3 bánh heroin giấu trong túi bột giặt OMO. Trong chuyến hàng cuối cùng này, Nguyễn Tiến Thuận và Nguyễn Văn Quang đã bị bắt giữ cùng tang vật vụ án. Từ lời khai của Quang và Thuận, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Quảng Ninh đã ra lệnh bắt khẩn cấp Giáp Văn Cường, còn Nguyễn Thanh Toản sau một thời gian bỏ trốn cũng đã sa lưới pháp luật. Riêng Đoàn Văn Sử bị Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Quảng Ninh ra lệnh truy nã đặc biệt.
Trong quá trình lẩn trốn, Sử đã dùng chứng minh nhân dân của anh trai là Đoàn Văn Sơn (SN 1959), để tạo vỏ bọc. Tuy nhiên, đến giữa tháng 1-2015, lực lượng công an đã phát hiện nơi ẩn nấp của đối tượng và nhanh chóng bắt giữ “trùm” ma túy này.