Sáng ngày 7 tháng 7 năm 2015, một người làm công trong gia đình bị hại đến làm việc cho gia đình như mọi ngày thì phát hiện cái chết của sáu người, chỉ còn Gia Linh 22 tháng tuổi sống sót, thương tích nhẹ, đã báo cho công an địa phương. Sau khi nhận được tin báo, Công an, Viện kiểm sát tỉnh Bình Phước đã cử cảnh sát hình sự, điều tra viên và các đơn vị khác tiến hành bảo vệ hiện trường và triển khai công tác khám nghiệm, thu thập chứng cứ, tổ chức buổi họp báo thông báo vụ án vào buổi chiều.[13] Cùng ngày, Bộ trưởng Bộ Công an Trần Đại Quang đã đích thân đến hiện trường chỉ đạo điều tra. Ngày 8 tháng 7, quá trình khám nghiệm tử thi đã hoàn thành, công an bàn giao thi thể các nạn nhân cho gia đình tổ chức an táng, đồng thời ra quyết định khởi tố vụ án về tội giết người và tội cướp tài sản, phối hợp điều tra trong tiến trình tố tụng hình sự giữa viện kiểm sát, cảnh sát điều tra và ban chuyên án của Bộ Công an.[14] Ban chuyên án do Thượng tướng Lê Quý Vương làm trưởng ban chỉ đạo, Trung tướng Phan Văn Vĩnh làm trưởng ban, kết hợp lãnh đạo Công an tỉnh Bình Phước và Tổng cục Cảnh sát, Tổng cục An ninh.[15]

Ngày 10 tháng 7, lực lượng điều tra đã xác minh được các dấu vết về dấu vân tay, vết máu, các manh mối và tình tiết được phân tích, xác định đối tượng khả nghi là Dương, truy bắt và bắt giữ Dương lẩn trốn ở Bình Phước.[16] Lúc đầu, Dương tỏ ra lì lợm, đưa ra nhiều chứng cứ ngoại phạm, tuyên bố im lặng cho đến khi có luật sư bào chữa, tuy nhiên, sau khi cơ quan điều tra trưng ra bằng chứng rõ ràng thì Dương thú nhận, khai rằng có đồng phạm là Tiến mà không trình bày gì về Thoại, và lực lượng trinh sát đã phục kích, bắt Tiến lẩn trốn ở Hóc Môn trong cùng ngày.[17] Trong quá trình tạm giữ và khởi tố bị can, cơ quan điều tra rà soát lại toàn bộ vụ việc, phát hiện được những tin nhắn trong điện thoại của bị hại là Vỹ đến từ điện thoại của Thoại khi Dương sử dụng, lập tức phục kích và bắt giữ Thoại vào ngày 10 tháng 8.[18][19] Sau đó, cơ quan điều tra tiến hành thực nghiệm hiện trường,[lower-alpha 5] rồi công bố cáo trạng vụ án, quyết định truy tố Nguyễn Hải Dương, Vũ Văn Tiến, Trần Đình Thoại về tội giết người và tội cướp tài sản.[16]