Thái thấy con tím tái nên bế vào nhà tắm, hút mũi vì nhiều thức ăn vướng bên trong. Một lúc sau cô bé thở yếu, người cha gọi cấp cứu và nhờ bảo vệ đưa đến bệnh viện. Tuy nhiên, các bác sĩ xác định nạn nhân đã tử vong trước đó.
Kết quả khám nghiệm tử thi cho thấy bé gái bị tụ máu dưới da trán đỉnh phải, não phù nhẹ; có nhiều vết thương cũ, gãy khung xương sườn 2, 3, 4 bên phải... Còn kết luận giám định cho rằng nạn nhân chết "do phù phổi cấp vì sốc chấn thương".
Theo cơ quan điều tra, Trang biết bé An chưa phát triển đầy đủ về tinh thần và thể chất, hoàn toàn phụ thuộc vào mình và Thái, song thường xuyên đánh đập, hành hạ trong thời gian dài. Hành vi này của Trang đã cấu thành tội Hành hạ người khác. Hôm 22/12/2021, Trang sử dụng cây gỗ tròn (dài 90 cm, đường kính 2,2 cm) đánh An trong 4 giờ liên tiếp khiến bé tử vong. Hành vi này của Trang cấu thành tội Giết người.
Đối với Nguyễn Kim Trung Thái, cơ quan điều tra cáo buộc, bị can là cha ruột bé An phải có nghĩa vụ chăm sóc, nuôi dưỡng và bảo vệ. Tuy nhiên, khi bé bị Trang đánh, hành hạ, Thái đã không can ngăn mà còn hùa theo. Hành vi của Thái là đồng phạm với Trang ở tội Hành hạ người khác.
Khi biết hành vi phạm tội của Trang, Thái đã xóa tất cả dữ liệu camera của căn hộ nhằm che giấu cho người tình, gây cản trở quá trình điều tra. Hành vi này đã cấu thành tội Che giấu tội phạm.