Ngay sau khi nhận được tin báo của Công an tỉnh Bình Phước, Tổng cục Cảnh sát, Bộ Công an đã có mặt tại tỉnh Bình Phước lập Ban Chuyên án nghe báo cáo, tổng hợp tình hình và lên kế hoạch rà soát các băng nhóm tội phạm có tổ chức, các đối tượng tình nghi trên diện rộng. Ban Chuyên án đồng thời cũng được bổ sung thêm nhân lực từ Bộ Công an, với các lãnh đạo và cán bộ chiến sĩ kỳ cựu của Tổng cục An ninh, Văn phòng Cơ quan Cảnh sát điều tra, Cục Cảnh sát điều tra Tội phạm kinh tế và tham nhũng, Viện Khoa học hình sự, Cục Kỹ thuật nghiệp vụ 1 và 2… Giám đốc công an của 10 tỉnh, thành cũng được huy động để đóng góp kinh nghiệm, nhận định và hướng điều tra cho Ban Chuyên án.
Ròng rã ba ngày đêm, các cán bộ điều tra đã nghiên cứu tỉ mỉ, thu thập từng dấu vết và các chứng cứ khác ở hiện trường. Đồng thời, thành lập nhiều tổ công tác khác phối hợp cùng công an các tỉnh thành lân cận như TPHCM, Bình Dương, Tây Ninh… mở các hướng điều tra khác nhau theo các giả thuyết điều tra mà Ban Chuyên án đã nhận định để điều nghiên về các mâu thuẫn trong mối quan hệ công việc, tình cảm của từng nạn nhân nhằm khoanh vùng đối tượng nghi vấn.
Thiếu tá Lường Tiến Quân, Phó trưởng Phòng 4, C45B, người trực tiếp có mặt tại hiện trường những giây phút đầu tiên cho biết: “Chúng tôi bàng hoàng trước hiện trường thảm khốc của vụ án, cảm giác khó chịu trước sự tàn bạo với 6 nạn nhân của thủ phạm. Nạn nhân Nga (vợ ông Mỹ, chủ nhà) bị đến 5 vết đâm mà theo đánh giá của đội nghiệp vụ, chỉ cần một vết đâm đã gây tử vong. Lòng tự trọng nghề nghiệp thôi thúc chúng tôi bằng mọi giá phá án nhanh nhất có thể”.
Theo Thiếu tá Quân, ngay từ đầu, Ban Chuyên án đánh giá các đối tượng không phải giết người, cướp tài sản đơn thuần, mà phải có quen biết và mâu thuẫn sâu sắc với gia đình nạn nhân, mới có thể rành đường đi nước bước và ra tay tàn độc như vậy. Ngay cả nếu có mâu thuẫn làm ăn, thuê sát thủ chuyên nghiệp cũng không thể ra tay tàn bạo vì tất cả nạn nhân đều bị đâm thủng tim.
Ngoài phối hợp các biện pháp nghiệp vụ hiện trường, Ban Chuyên án đã phối hợp với công an địa phương các tỉnh như Bình Dương, Tây Ninh, Đồng Nai, Đăk Nông… và TPHCM, rà soát toàn bộ các băng nhóm tội phạm, các đối tượng hình sự để truy xét về mối quan hệ làm ăn của ông Mỹ, coi đó có phải là nguyên nhân vụ thảm sát hay không. Đầu mối được các trinh sát của Cục C45 đặc biệt quan tâm là mối quan hệ của Lê Thị Ánh Linh, con gái ông Mỹ. Linh từng yêu một thanh niên từ nhiều năm trước, thanh niên này vừa đi tù về khoảng một tháng nên ban đầu rất được Ban Chuyên án chú ý. “Bằng nhạy cảm trinh sát với những chứng cứ thu thập ban đầu, chúng tôi xác định, mối quan hệ tình cảm của Linh là có căn cứ dẫn đến án mạng”, Thiếu tá Quân cho biết. Các trinh sát phát hiện một số điện thoại gọi vào máy của Linh 3 cuộc, nhưng đồng thời số này cũng gọi và nhắn tin cho Dư Minh Vỹ (cháu ông Mỹ). Hơn thế, một đối tượng tình nghi ban đầu là bạn trai của Linh cũng cho biết, vừa rồi Linh có lo lắng vì bạn trai gọi điện thoại hăm dọa…
Theo hồ sơ vụ án, tháng 10-2013, do quan hệ tình cảm với Lê Thị Ánh Linh (22 tuổi, con gái ông Lê Văn Mỹ, xã Minh Hưng, Chơn Thành, Bình Phước) bị chấm dứt, Nguyễn Hải Dương cay cú và chuẩn bị kế hoạch trả thù.
Đầu tháng 7-2015, Dương gọi điện thoại rủ Trần Đình Thoại (27 tuổi, quê Vĩnh Long) ra uống cà phê và rủ đi cướp nhà ông Mỹ. Nhưng khi Dương và Thoại đến nơi thì Dư Minh Vỹ (cháu ông Mỹ) không ra mở cửa nên cả hai quay về. Sau đó, Thoại từ chối không tham gia nên Dương tiếp tục rủ Vũ Văn Tiến. Khoảng 1 giờ 30 sáng 7-7-2015, Dương chở Tiến đến cổng nhà ông Mỹ. Dương nhắn tin cho Vỹ xuống mở cửa, sau đó Dương, Tiến lần lượt sát hại Vỹ (cháu ông Mỹ), Quốc Anh (con ông Mỹ), ông Mỹ, bà Nga (vợ ông Mỹ), Linh và Dư Thị Tố Như (chị của Vỹ). Riêng bé Na (con vợ chồng ông Mỹ, 18 tháng tuổi, vào thời điểm xảy ra vụ án) đã may mắn thoát chết.
Ngày 18-7-2016, phiên phúc thẩm, Tòa án Cấp cao tại TPHCM đã tuyên y án tử hình đối với Tiến và 16 năm tù đối với Thoại. Tại phiên xử sơ thẩm ngày 17-12-2015, TAND tỉnh Bình Phước đã tuyên phạt Nguyễn Hải Dương và Vũ Văn Tiến cùng mức án tử hình về tội giết người, cướp tài sản. Trần Đình Thoại 16 năm tù. Tiến và Thoại kháng cáo, riêng Dương không kháng cáo và đề nghị được sớm thi hành án tử.