Nguyên nhân chết của nạn nhân đã được làm rõ nhưng ai trong số hơn 20 thanh niên của xã Ngọc Xá gây án vẫn còn là ẩn số bởi các thanh niên này có biểu hiện che giấu cho nhau, trong khi nhóm thanh niên xã Châu Phong lại hầu như không biết nhân thân, tên tuổi của đối phương nên không cung cấp được thông tin gì. Cả đêm hôm đó, ngày hôm sau và đêm tiếp theo, lực lượng chức năng gần như thức trắng, tỉ mỉ lấy lời khai từng đối tượng, từng nhân chứng. Chắp nối các thông tin, kết hợp với tài liệu thu thập được, cơ quan điều tra đã xác định được kẻ giết người là Hoàng Văn Tú, 23 tuổi, trú ở thôn Long Khê, xã Ngọc Xá nên đã ra lệnh bắt khẩn cấp đối tượng này. Khám xét nơi ở của Tú, cơ quan điều tra thu giữ con dao phớ Tú dùng để gây án.
Xác định chính xác kẻ gây ra cái chết cho anh Kiên nhưng còn kẻ chém trọng thương anh Chưởng là Kiên hay người khác khiến các ĐTV mất ngủ, bởi việc này rất quan trọng, nếu không cẩn thận có thể bỏ lọt tội phạm, trong khi đó, các lời khai đều cho rằng chỉ mình Kiên gây án. Tuy nhiên, từ kết quả khám nghiệm hiện trường và căn cứ vết thương trên người nạn nhân, kết hợp với tài liệu điều tra, lực lượng chức năng đã đủ cơ sở kết luận người chém anh Chưởng không phải Kiên mà là Trần Văn Chiến, 26 tuổi, trú cùng thôn với Kiên. Tuy nhiên, ngay sau khi sự việc xảy ra, Chiến đã bỏ trốn khỏi địa phương. Công an huyện Quế Võ đã vận động gia đình Chiến đưa con em mình ra đầu thú để hưởng khoan hồng. 2 ngày sau, Chiến từ huyện Móng Cái, Quảng Ninh đã về trình diện cơ quan Công an.
Theo lời khai của các đối tượng thì trước khi có trận đá bóng giao hữu giữa hai thôn, nhóm thanh niên ở xã Châu Phong ngồi uống rượu với nhau, Tú và Chiến thông báo có dao phớ đem đi “phòng thân”. Theo đó, Chiến về nhà lấy 2 con dao cho vào bao tải mang ra sân. Trong lúc đá bóng, xảy ra va chạm giữa Hoàng Văn Tuấn (anh trai Hoàng Văn Tú) và anh Kiên nên Tuấn đấm anh Kiên nhưng không trúng. Thấy thế, một số thanh niên xã Châu Phong chạy vào can ngăn. Thấy anh trai đuối thế, Hoàng Văn Tú đã rút 1 con dao từ xe máy của Chiến chạy đến đuổi theo Kiên. Mặc dù anh Kiên đã chạy và nhảy lên xe máy của một người cùng thôn để chạy nhưng vẫn bị Tú đuổi kịp. Xe máy bị đổ, anh Kiên chạy bộ bị Tú chém nhiều nhát vào người. Thấy Tú cầm dao chém “đối phương”, Chiến cũng lấy nốt con dao còn lại đuổi theo số thanh niên ở Ngọc Xá chém trọng thương anh Chưởng.
Với sự nỗ lực hết sức, chỉ sau 2 ngày, lực lượng chức năng đã điều tra, làm rõ, bắt giữ cả 2 đối tượng gây án. Khi thấy vụ án được điều tra nhanh, thủ phạm được làm rõ, đúng người, đúng tội nên nhân dân trong vùng hết sức tin tưởng lực lượng Công an.
Theo cand