Đến ngày 24/9, Công an huyện Mai Sơn đã tạm giữ Hà Thị Thi để điều tra làm rõ vụ việc. Quá trình điều tra, công an xác định Thi là nhân viên hợp đồng của Trường THPT Chu Văn Thịnh, nấu ăn cho học sinh bán trú. Do Thi bất mãn về việc nhà trường lựa chọn đơn vị cung cấp thực phẩm không đảm bảo chất lượng và nghi ngờ có việc câu kết ăn bớt khẩu phần được hỗ trợ cho học sinh.
Do đó, Thi đã nảy sinh ý định cho thuốc trừ sâu, thuốc diệt gián, kiến vào khẩu phần ăn của học sinh đăng ký ăn tại nhà trường, với mục đích làm các em bị ngộ độc để trường phải thay nhà cung cấp thực phẩm.
Tại cơ quan công an, Thi khai nhận vào ngày 13/9, trên đường đi chợ về, Thi vào đại lý bán thuốc bảo vệ thực vật mua hai gói thuốc diệt gián, kiến và một lọ thuốc trừ sâu.
Đến ngày 22/9, nhân viên nhà bếp gọt vỏ để sơ chế su su làm thức ăn cho học sinh, thì Thi nhận thấy đây là cơ hội thực hiện hành vi. Khoảng 9h30 cùng ngày, sau khi vớt su su ra chậu, Thi bỏ thuốc diệt kiến, gián, rồi một ít thuốc trừ sâu vào, dùng hai tay trộn, đảo su su.
Trong quá trình chia khẩu phần ăn, do phát hiện mùi thuốc trừ sâu trong món su su luộc, nên quản lý bếp đã báo cáo ban giám hiệu nhà trường, công an. Khoảng 11h cùng ngày, sau khi về nhà, Thi nhớ ra bỏ quên áo chống nắng bên trong có một lọ thuốc trừ sâu đã mở sử dụng, và một gói thuốc diệt gián, kiến còn lại chưa sử dụng. Thi đã đến khu vực kho của nhà bếp để lấy áo đem về nhà, rồi đốt lọ thuốc trừ sâu tại bếp củi của gia đình.
Quá trình khám xét nhà bị can, công an phát hiện, thu giữ gói thuốc diệt kiến, gián treo tại chuồng chim của gia đình Thi.