Theo hồ sơ vụ án, rạng sáng 21/1/2011, nhóm 5 người đàn ông (cùng quê Phú Thọ) đi ngang nhà vợ chồng ông Đặng Thành Đ. (SN 1968) - bà Dư Thị Y. (SN 1972, cùng ngụ xã biên giới Thanh Thủy, huyện Vị Xuyên, Hà Giang), thấy cửa sắt khép hờ, gọi không ai trả lời. Cặp vợ chồng này có 2 người con. Con trai đầu đi làm xa, còn con gái Đặng Thị H. (SN 1995) ở nhà chung cha mẹ. Vợ chồng ông Đ. làm nhiều nghề: buôn bán sắt vụn, cầm đồ, bán phân đạm, tạp hóa...
Do bận đi làm nên cả nhóm tiếp tục đi, đến chiều thì quay lại, thấy cửa nhà ông Đ. khép hờ, gọi vẫn không ai trả lời. Thấy bất thường, họ cùng vào kiểm tra, phát hiện nền nhà loang lổ vết dầu luyn và máu. Phía sau nhà, họ thấy một cái chảo to đậy lên miệng giếng. Một người lật chảo ra, nhìn xuống giếng thì thấy lập lờ thi thể phụ nữ bị chẹn bên dưới bởi một số bao tải phân đạm và lốc máy của một xe máy.
Nhận được tin báo, Công an tỉnh Hà Giang đã phối hợp cùng Công an huyện Vị Xuyên và các đơn vị chức năng nhanh chóng có mặt. Tại hiện trường, có nhiều vết máu ở đầu hồi nhà, nhà vệ sinh, trên khúc gậy dài 90cm... Trục vớt từ giếng lên, phát hiện thi thể của bà Y. và cháu H., cùng nhiều vật chứng liên quan.
Mở rộng khám nghiệm hiện trường, cơ quan Công an phát hiện một bao tải giấu ở bụi cây ven bờ sông Lô, cách nhà khoảng 25m, trong chứa thi thể ông Đông. Cả 3 người đều bị sát hại rất dã man bằng dao và gậy, khiến các nạn nhân tử vong tại chỗ. Đặc biệt, bé gái còn bị trói, hiếp dâm, chém nhiều nhát. Vụ án mạng kinh hoàng xảy ra ở địa bàn xã biên giới, vào những ngày Tết Nguyên đán đang cận kề, khiến quần chúng hoang mang.
Nhận định đây là vụ án đặc biệt nghiêm trọng, Công an tỉnh Hà Giang lập chuyên án điều tra. Từ kết quả khám nghiệm hiện trường, tử thi, Ban chuyên án nhận định: Đối tượng gây án phải có từ 2 tên trở lên. Hiện trường vụ án rộng: bên bờ sông Lô, đầu hồi nhà, nhà vệ sinh, giếng nước...; chứng tỏ đối tượng có mối quan hệ với gia đình nạn nhân mới "điều" được các nạn nhân tới những nơi như vậy để sát hại.
Việc xác định đối tượng và truy tìm hung thủ gặp nhiều khó khăn, bởi vụ án xảy ra nơi hẻo lánh. Tại hiện trường, các dấu vết liên quan đến thủ phạm rất mờ nhạt. Các giả định được xác lập. Một hướng điều tra được chú ý: Thủ phạm có thể là đối tượng liên quan đến việc mua bán, vay mượn. Lần theo từng dấu vết của các đối tượng trong diện khoanh vùng, sau 12 giờ đồng hồ, Ban chuyên án dựng được chân dung hung thủ.
Cách hiện trường khoảng 8km, có một đối tượng nghi vấn tên Nguyễn Văn Nội (SN 1992, ngụ xã Phương Độ, TP Hà Giang). Gã lêu lổng, hay lang thang, tuy gia cảnh nghèo nhưng có bất minh về tiền bạc. Sau khi vụ trọng án được phát hiện, y đã đi khỏi làng. Một nguồn tin cho biết, đêm 22/1/2011, thấy chiếc taxi chạy tới xã Phương Độ, đón một thanh niên trước khu vực nhà của Nguyễn Văn Nội.
Một mũi trinh sát rà soát, truy tìm chiếc taxi trên. Người lái taxi mô tả, gã thanh niên bắt xe có đặc điểm giống Nguyễn Văn Nội. Khi trả tiền, khách có 3 xấp (mệnh giá 50 ngàn đồng, 20 ngàn đồng và 10 ngàn đồng). Đối tượng xuống xe ở khu vực Bến xe TP Hà Giang.
Trinh sát rà soát khắp địa bàn TP.Hà Giang, nhưng không tìm ra tung tích Nguyễn Văn Nội. Mở rộng diện xác minh, trinh sát phát hiện hắn đang có mặt tại khu nhà trọ ở Hà Nội của một số sinh viên (cùng ngụ xã Phương Độ). Đến 2h ngày 23/1/2011, một mũi trinh sát vượt hơn 300km đến Hà Nội để lần theo dấu vết đối tượng nghi vấn. Thế nhưng khi tìm ra được nhà trọ nơi Nguyễn Văn Nội trú ẩn thì gã vừa rời khỏi đó.
Bằng các biện pháp nghiệp vụ, cơ quan Công an phát hiện Nguyễn Văn Nội đang di chuyển về Hà Giang. Ngay chiều tối hôm đó, tổ trinh sát quay ngược về Hà Giang, chờ đón lõng đối tượng tại khu vực gần nhà gã. Khoảng 8h ngày 24/1/2011, kẻ giết người đầu tiên đã sa lưới, khi vừa về gần tới nhà.
Tỏ ra lì lợm, trong cả buổi sáng, Nguyễn Văn Nội không chịu khai báo bất cứ điều gì. Đến khoảng 17h cùng ngày, biết không thể che giấu hành vi, y mới khai đã gây ra vụ trọng án tại xã Thanh Thủy, cùng với Nguyễn Văn Đế (SN 1986, ngụ xã Phương Độ; là anh em họ với Nội). Ngay sau khi gây án, Đế đã bỏ trốn.
Suốt đêm 24 và ngày 25/1/2011, các mũi trinh sát của Công an tỉnh Hà Giang tiếp tục thực thi nhiệm vụ trong cái lạnh tê tái chỉ vài độ C của vùng núi. Khoảng 20h30 ngày 25/1/2011, trinh sát được nguồn tin cho biết: Đế đang trốn trong một nhà sàn của người dân ở xã Phong Quang (giáp biên giới). Trời mù và giá buốt vì sương muối, lực lượng công an huy động cả dân quân và Công an xã truy bắt Đế.
Thấy người lạ đến, Đế lao từ nhà sàn xuống vườn bắp gần đấy. Lực lượng truy bắt xiết chặt vòng vây, tóm được hung thủ thứ 2. Khám nhà 2 đối tượng, cơ quan điều tra thu nhiều tang vật liên qua, gồm: mũ bảo hiểm, quần áo các đối tượng mặc thời điểm gây án... Tại cơ quan Công an, các đối tượng khai nhận đã vài lần bàn bạc việc sát hại gia đình ông Đ. để cướp tài sản. Kẻ chủ mưu, bày kế là Đế, từng có 2 tiền sự. Gã quen biết, thường cầm đồ tại tiệm nhà ông Đ.
Chiều 20/1/2011, Đế và Nội đi bộ đến nhà ông Đ., mượn xe máy để chạy lấy hàng (do tiệm này có hơn chục xe máy của người cầm đồ). Gần 1h hôm sau, chúng ghé trả xe. Ông Đ. ra nhận xe, Đế viện cớ có nguồn gỗ để dưới bờ sông Lô, dụ ông tới đó coi hàng. Khi ra đến bờ sông, từ phía sau, bọn chúng tấn công ông Đ. cho ngã rồi dìm xuống sông. Sau đó, Đế gọi bà Y. ra đầu hồi nhà nói chuyện và sát hại.
Nghe tiếng mẹ kêu "cướp...", cháu H. đang ngủ trong nhà bật dậy, nhưng không kịp bỏ chạy. Hai tên cướp đội mũ bảo hiểm và mũ len trùm kín mặt, chỉ hở 2 con mắt, xông vào buồng ngủ của H. Cháu gái hết lời van xin, nhưng hai kẻ mất nhân tính bỏ ngoài tai, xâm hại xong thì trói H. vào xà nhà. Khi chúng đang ra bờ sông (cách nhà nạn nhân khoảng 25m) để bỏ thi thể ông Đ. vào bao tải đem giấu, thì cháu H. cởi được trói, hô "Cướp! Cướp!...".
Do nhà ông Đ. ở cách xa khu dân cư nên chỉ có 2 tên cướp nghe được. Chúng chạy vào nhà, lôi H. ra sân để tra khảo mã số két bạc. Mỗi lần nạn nhân nói không biết, chúng lại chặt ngón tay của cháu. Chúng bịt miệng và giết hại H. Sau đó, 2 đối tượng ném thi thể H. và mẹ cháu xuống giếng, vứt thêm 2 bao phân đạm, lốc xe máy đè lên trên.
Chúng lấy các can dầu luyn trong nhà đổ lên các vết máu để xóa dấu vết, nhưng do đêm tối, các vết máu vẫn còn vương vãi nhiều nơi. Chúng lục lọi lấy được 1 ĐTDĐ của ông Đ. và hơn 7 triệu đồng. Theo lời 2 đối tượng, nguyên nhân gây án chỉ vì ham ăn chơi nên nợ nần. Nghĩ nhà ông Đ. có nhiều tiền, chúng bàn bạc với nhau đi cướp tiền để trả nợ và ăn chơi tiếp.
Ngày 27/8/2011, mở phiên tòa lưu động, TAND tỉnh Hà Giang tuyên phạt án tử hình đối với 2 bị cáo Nguyễn Văn Đế và Nguyễn Văn Nội, cùng về 3 tội (giết người, cướp tài sản và hiếp dâm).
