Qua lời khai của nạn nhân, tối 21-7, một người bạn mới quen tên Nơ cùng 2 thanh niên (chưa rõ lai lịch) đến đưa chị L. đi chơi, sau đó xảy ra sự việc.
Xác định đây là vụ án đặc biệt nghiêm trọng, đối tượng gây án hết sức manh động, liều lĩnh, lãnh đạo Công an quận chỉ đạo Đội CSHS nhanh chóng vào cuộc điều tra. Hàng chục đối tượng nữ tên Nơ trên địa bàn quận được đưa vào danh sách sàng lọc nhưng không phát hiện manh mối.
Đến ngày 23-7, lực lượng Công an phát hiện người tên Nơ là Nguyễn Thị Kiều Oanh (SN 1992, trú tổ 40, phường Hòa An, quận Cẩm Lệ) nên đã mời về cơ quan làm việc.
Qua lời khai của Oanh (tức Nơ), chiều cùng ngày, lực lượng Công an đã bắt 2 đối tượng gây án là Phan Văn Hòa (SN 1991, trú tổ 24, phường Hòa Hiệp Bắc, quận Liên Chiểu) và Trần Đức Duy (còn gọi Vũ, SN 1995, trú phường Hòa Hiệp Nam, quận Liên Chiểu). Trước những chứng cứ không thể chối cãi, Hòa và Duy đã cúi đầu nhận tội.
Theo lời khai, giữa Đ.T.L và Nguyễn Thị Kiều Oanh quen nhau trên mạng từ trước. Tuy nhiên, do L. nhỏ hơn nhưng ăn nói xấc xược nên Oanh tức giận và bàn với Hòa, Duy để dằn mặt L.
Khoảng 18 giờ 30 ngày 21-7, cả ba điện thoại rủ L. đi chơi về hướng đường Nguyễn Trãi (quận Liên Chiểu). Thấy đường vắng, Oanh tránh mặt, còn Hòa và Duy đánh L. như kế hoạch, đồng thời chiếm đoạt điện thoại di động của L. Chưa hết, Duy ra đường canh, còn Hòa một mình thực hiện hành vi đồi bại với L. Gây án xong, Duy và Hòa chở nhau ra địa điểm hẹn để gặp Oanh.
Chiều 24-7, Công an quận Liên Chiểu củng cố hồ sơ để khởi tố vụ án, khởi tố bị can, bắt tạm giam Hòa, Duy về các hành vi cướp tài sản và hiếp dâm; tiếp tục làm rõ hành vi “không tố giác tội phạm” của Oanh để xử lý theo quy định của pháp luật.