Khoảng 30 phút sau khi mọi người ra về, trong phòng chỉ còn khoảng 20 người, Kiên đi vào và dùng dao sát hại linh mục Thanh. Không dừng lại ở đó, Kiên tiếp tục chạy đến dùng dao chém một người đàn ông đang ngồi đàn piano ở gần bàn thờ Chúa, tuy nhiên người này đã kịp dùng ghế gỗ tránh đỡ và chạy thoát.
Người dân có mặt tại hiện trường đã khống chế, bắt giữ và lấy dao từ tay Kiên, đồng thời nhanh chóng đưa linh mục Trần Ngọc Thanh đi cấp cứu, nhưng vị linh mục không qua khỏi.
Nhận được tin báo, cơ quan chức năng đã tổ chức khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi, lấy lời khai các nhân chứng. Đồng thời đã ra quyết định khởi tố vụ án, khởi tố bị can và ra lệnh tạm giam đối tượng Nguyễn Văn Kiên để điều tra làm rõ, xử lý nghiêm theo quy định của pháp luật.