Quá trình điều tra nguyên nhân vụ cháy được tiến hành ngay sau vụ việc. Công tác khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi được tiến hành từ ngày 7 tháng 9[42]. Nguyên nhân ban đầu được xác định là do chập điện[43]. Hiện trường vụ cháy bị phong tỏa trong phạm vi 500 mét. Người dân ra vào khu phong tỏa đều bị kiểm soát[44]. Ngày 8 tháng 9, cơ quan điều tra tỉnh Bình Dương đã khởi tố vụ án Vi phạm quy định về phòng cháy, chữa cháy theo Điều 313 Bộ luật Hình sự[45]. Theo thông tin ban đầu thì lửa bùng lên từ phòng 303 của quán karaoke An Phú,[14] tuy nhiên trong quá trình điều tra, qua trích xuất camera, cơ quan công an xác định vụ cháy xuất phát từ tầng 2 của quán karaoke này[46].