Ngày 6 tháng 4 năm 2018, Cơ quan An ninh điều tra, Công an tỉnh Phú Thọ đã ra quyết định khởi tố theo điều 356 Bộ luật hình sự với tội danh "lợi dụng chức vụ quyền hạn trong khi thi hành công vụ" và bắt tạm giam 4 tháng đối với Phan Văn Vĩnh để điều tra hành vi liên quan đến đường dây đánh bạc xuyên quốc gia với số tiền lên tới hàng ngàn tỉ đồng.[7] Ông Vĩnh đã ký và trình một số văn bản cho Công ty TNHH đầu tư phát triển an ninh công nghệ cao - CNC do Nguyễn Văn Dương (bị can cầm đầu trong đường dây đánh bạc) là chủ tịch HĐQT được hoạt động dưới danh nghĩa đơn vị nghiệp vụ của Bộ Công an.[13] Cùng ngày, Chủ tịch nước Trần Đại Quang ký quyết định tước danh hiệu Công an nhân dân đối với ông.[14]

Phan Văn Vĩnh cũng bị khai trừ ra khỏi Đảng Cộng sản Việt Nam.

Ngày 10/9/2019, Cơ quan điều tra VKSND tối cao đã tống đạt quyết định khởi tố bị can đối với ông Phan Văn Vĩnh, nguyên Thủ trưởng Cơ quan Cảnh sát điều tra Bộ Công an về tội "Ra quyết định trái pháp luật" theo quy định tại Khoản 2 Điều 371 Bộ luật hình sự năm 2015. Quyết định khởi tố bị can trên đã được VKSND tối cao (Vụ 6) phê chuẩn.