Vụ án được phát hiện vào sáng 24/9. Khoảng 7h sáng cùng ngày, chị Vũ Thị Thanh (SN 1983), chủ hộ gia đình, trú tại Tổ 1, Khu Hợp Thành, Phường Phương Nam, TP Uông Bí, là nhân viên bán xăng tại doanh nghiệp Tư nhân Phương Nam (cách nhà chị Thanh khoảng 700m) đi làm ca ba về thì phát hiện mẹ đẻ là bà Nguyễn Thị Hát (SN 1955) và 3 cháu nhỏ gồm: Phạm Đình Hưng (SN 2007), Phạm Thu Hà (SN 2008) đều là con chị Thanh và Vũ Khánh Huyền, (SN 2013, là cháu ruột, con chị gái chị Thanh) tử vong.
Ngay sau khi nhận được tin báo, trong sáng 24/5/2016, lãnh đạo Công an tỉnh Quảng Ninh đã báo cáo lãnh đạo Bộ Công an, Tỉnh ủy, UBND tỉnh Quảng Ninh, đồng thời huy động tối đa lực lượng các đơn vị nghiệp vụ và Công an các địa phương trong tỉnh có mặt tại hiện trường, triển khai đồng bộ các biện pháp xác minh, điều tra. Ông Nguyễn Văn Đọc, Bí thư Tỉnh ủy Quảng Ninh chỉ đạo các lực lượng chức năng của tỉnh và thành phố Uông Bí tại hiện trường vụ án. Đại tá Đỗ Văn Lực, Giám đốc Công an tỉnh Quảng Ninh, Đại tá Thái Hồng Công, Phó giám đốc Công an tỉnh, thủ trưởng cơ quan CSĐT Công an tỉnh Quảng Ninh có mặt tại hiện trường trực tiếp chỉ đạo lực lượng phá án.
Ngay sau khi quá trình khám nghiệm tử thi kết thúc, lực lượng điều tra đã bàn giao thi thể các nạn nhân cho gia đình tổ chức tang lễ. Bốn chiếc quan tài, bốn di ảnh của mẹ già, 3 cháu nhỏ - nạn nhân trong vụ thảm sát ở Quảng Ninh đã lấy cạn nước mắt của những người dự đám tang.
Tối ngày 24/9/2016, căn cứ kết quả khám nghiệm hiện trường, tử thi và các tài liệu điều tra ban đầu đã thu thập được có cơ sở xác định là vụ án “Giết người, cướp tài sản” gây hậu quả đặc biệt nghiêm trọng, ngay trong ngày 24/9, Công an tỉnh Quảng Ninh đã khởi tố vụ án hình sự giết người cướp tài sản số 88, ngày 24/9/2016 để tiến hành điều tra vụ án theo quy định của pháp luật.
Tập trung điều tra theo hướng nhằm vào các đối tượng có quan hệ với gia đình các nạn nhân, Ban chuyên án thấy nổi lên đối tượng nghi vấn là Doãn Trung Dũng, sinh năm 1971, trú tại tổ 07, khu 01, phường Trưng Vương, thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh. Dũng quê ở Hải Phòng, là cháu gọi nạn nhân Hát là dì bên vợ, đối tượng từng có 2 tiền án, nghiện ma túy lâu năm, lại ham cờ bạc, gần đây có biểu hiện sử dụng ma túy đá. Có nguồn tin khẳng định buổi chiều tối ngày 23/9, Dũng có đến nhà nạn nhân. Sau ngày xảy ra vụ án, Dũng vắng mặt nơi cư trú và cắt đứt mọi liên lạc.
Kết hợp nguồn tin trên và các tài liệu chứng cứ khác có liên quan, ngày 25/9/2016, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Quảng Ninh đã ra lệnh bắt, khám xét khẩn cấp đối với Doãn Trung Dũng, ra thông báo truy tìm đối tượng Ngày 26/9, Cơ quan Cảnh sát điều tra Công an tỉnh Quảng Ninh ra Quyết định truy nã đặc biệt số /QĐ-PC45 ngày 26/9/2016 về tội “Giết người và Cướp tài sản” đối với đối tượng Doãn Trung Dũng (sinh năm 1971, trú tại tổ 07, khu 1, phường Trưng Vương, thành phố Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh).
Ban chuyên án đã huy động tối đa lực lượng phối hợp với các lực lượng an ninh cơ sở, gia đình nạn nhân và quần chúng nhân dân khoanh vùng, truy tìm đối tượng nghi vấn không kể ngày đêm.
Sáng 26/7, căn cứ thông tin các trinh sát, điều tra viên thu thập được, Ban chuyên án nhận định nhiều khả năng đối tượng đã lợi dụng đêm tối để vượt sông trốn từ Uông Bí sang Thủy Nguyên, Hải Phòng bằng đường sông, vì vậy, hướng truy bắt được chỉ đạo tập trung vào các mối quan hệ của nghi can Doãn Trung Dũng tại một số địa phương ở Hải Phòng.
Ngay sau khi bắt, tại Cơ quan Công an, Doãn Trung Dũng đã thừa nhận hành vi phạm tội của mình. Hắn khai: Đầu buổi tối 23/9, đến nhà chị Vũ Thị Thanh chơi đến tối muộn, thấy chị Thanh không có nhà, Dũng xin bà Nguyễn Thị Hát (mẹ đẻ chị Thanh) cho ngủ nhờ, bà Hát đồng ý. Tối hôm đó, trong lúc mọi người đi ngủ, Dũng đã lấy ma túy đá ra sử dụng, trong cơn "phê" ma túy hắn đã dùng dao sát hại cháu Phạm Đình Hưng tại giường trong phòng ngủ vì Dũng cho rằng Hưng có "thái độ không tốt" với đối tượng từ buổi tối. Phát hiện cháu Phạm Thu Hà, thấy động tỉnh dậy thì bị Dũng sát hại. Rồi hắn quay về chỗ chiếu nằm ngủ tiếp đến gần sáng, bà Hát cùng cháu Vũ Khánh Huyền tỉnh dậy, đi vệ sinh phát hiện xác cháu Hà dưới bếp mới tá hỏa định hô hoán thì bị Dũng dùng con tiện ở cầu thang sát hại. Sau khi gây án, kẻ sát nhân lục soát đồ đạc trong nhà nhưng không tìm được gì, hắn quay ra lấy đôi hoa tai cùng chiếc nhẫn 4 chỉ vàng của bà Hát rồi tẩu thoát...
Ngay khi bắt được nghi phạm Doãn Trung Dũng, đối tượng đã được di lý về Công an huyện Thủy Nguyên, Công an TP Hải Phòng. Tại đây, Thiếu tướng Hồ Sỹ Tiến, Cục trưởng Cục Cảnh sát hình sự, Bộ Công an, là người đầu tiên hỏi cung đối tượng sát hại 4 bà cháu ở Quảng Ninh. Sau đó, nghi phạm được di lý về công an tỉnh Quảng Ninh ngay trong đêm để tiếp tục điều tra làm rõ.
Ngay khi nhận được tin các lực lượng chức năng đã bắt được nghi phạm Doãn Trung Dũng trong vụ trọng án ở Uông Bí, Quảng Ninh, ngày 26/9, Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Xuân Phúc đã có thư khen ngợi gửi tới Bộ Công an, Tỉnh ủy, UBND và Công an tỉnh Quảng Ninh. Ngay sau khi cơ quan điều tra bắt được nghi phạm Doãn Trung Dũng, ông Nguyễn Văn Đọc, Bí thư Tỉnh ủy Quảng Ninh, ông Nguyễn Đức Long, Chủ tịch UBND tỉnh Quảng Ninh đã trực tiếp tới huyện Thủy Nguyên, TP Hải Phòng để động viên, khen thưởng Ban chuyên án điều tra vụ án. Ghi nhận chiến công của Ban chuyên án, tỉnh Quảng Ninh quyết định thưởng 200 triệu đồng, TP Hải Phòng thưởng 100 triệu đồng, TP Uông Bí thưởng 50 triệu đồng cho Ban chuyên án.
