Quá trình điều tra, cảnh sát xác định đối tượng nghi vấn là Nguyễn Văn Hiệp (SN 1986, ở Phổ Yên, Thái Nguyên). Hiệp đã có vợ và 2 con, đang sinh sống tại Thái Nguyên.
Công an tỉnh Bắc Ninh cho biết, theo lời khai của nhân chứng, Hiệp nhiều lần đến gặp chị P. tại cửa hàng vào các buổi trưa. Khoảng 14h45 ngày 17/10, Hiệp đến cửa hàng và gặp chị P. Quá trình nói chuyện, chị P. và Hiệp có xảy ra mâu thuẫn, cãi nhau, sau đó Hiệp dùng dao nhọn đâm khiến nạn nhân tử vong.
Tại hiện trường, cơ quan điều tra thu giữ một con dao bầu dính máu. Sau khi gây án, Hiệp điều khiển xe ô tô taxi màu xanh, BKS 99E – 002.59 bỏ trốn khỏi hiện trường.
Đến 16h30 cùng ngày, công an tìm thấy chiếc ô tô có đặc điểm như trên đang đỗ trên cầu Thanh Trì – TP Hà Nội. Cảnh sát đã thu giữ trên xe một điện thoại di động, một ví da có giấy tờ tùy thân của đối tượng Hiệp.
Quá trình lấy lời khai của nhân chứng, xác định khoảng 15h40 cùng ngày, một nam thanh niên điều khiển chiếc xe ô tô trên đến và đỗ trên cầu Thanh Trì, sau đó nhảy từ trên cầu xuống sông Hồng.
Đến sáng 19/10, lực lượng chức năng đã tìm thấy thi thể Hiệp nổi trên sông Hồng thuộc địa phận xã Kim Lan (huyện Gia Lâm, Hà Nội), cách nơi nhảy khoảng 10km.