Trước đó vào khoảng 21 giờ 30 phút ngày 10/9, Công an quận Nam Từ Liêm nhận được tin báo tại cổng Bến xe khách Mỹ Đình, phường Mỹ Đình 2, quận Nam Từ Liêm xảy ra vụ xô xát và đã có tiếng súng nổ, đạn găm vào cánh cửa một chiếc xe taxi. Ngay sau khi nhận được tin báo, cảnh sát đến hiện trường thì các đối tượng đã bỏ trốn, chỉ còn lại vết đạn bắn trên cánh cửa xe taxi.
Bước đầu, cảnh sát xác định viên đạn được bắn từ một khẩu súng quân dụng. Xác minh truy xét nhanh, cảnh sát xác định hai người liên quan đến vụ việc là anh Nguyễn Minh Phương (sinh năm 1986) ở xã Gia Sinh, huyện Gia Viễn, tỉnh Ninh Bình và anh Nguyễn Đức Mạnh (sinh năm 1978), trú tại phường Lê Lợi, Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang. Từ các thông tin thu thập được, đến 1 giờ ngày 11/9, cảnh sát đã bắt giữ được đối tượng gây ra vụ nổ súng là Đinh Quang Thắng (sinh năm 1974), trú tại phường Nghĩa Tân, quận Cầu Giấy, Hà Nội.
Qua quá trình điều tra ban đầu xác định, từ năm 2009, Đinh Quang Thắng và anh Nguyễn Minh Phương có hợp tác kinh doanh vận tải hành khách tại khu vực Bến xe Mỹ Đình. Đến đầu tháng 9/2018, anh Phương không hợp tác cùng Thắng và hai bên phát sinh mâu thuẫn trong quan hệ kinh doanh. Khoảng 21 giờ ngày 10/9, Thắng lấy một khẩu súng ngắn dạng K54 cùng 5 viên đạn được lắp sẵn trong hộp tiếp đạn, rồi gọi điện nhờ người quen là anh Trịnh Bùi Luận đến đón chở ra Bến xe Mỹ Đình để tìm hướng giải quyết mâu thuẫn. Trên đường đi, Thắng không cho Luận biết việc mình mang súng theo người. Sau khi đến trước cửa Bến xe Mỹ Đình, Thắng đứng ở giữa cổng bến xe gọi điện thoại cho anh Phương liên tục chửi bới, yêu cầu Phương ra cổng bến xe gặp Thắng. Vào thời điểm này, anh Nguyễn Đức Mạnh đang ngồi uống nước ở gần đó nhìn thấy Thắng, do có quen biết từ trước nên anh này đến gần Thắng hỏi chuyện thì bị Thắng cầm khẩu súng K54 đuổi đi.
Khi anh Phương đi xe máy ra gần cửa bến xe để gặp Thắng thì gặp Trịnh Bùi Luận và được Luận cho biết Thắng đang làm loạn ở cổng bến nên cả hai cùng đi ra cửa bến xe tìm Thắng. Anh Phương vừa đến dựng xe ở cổng bến thì Thắng nhìn thấy và chạy đến. Thắng vừa chửi bới, chĩa súng vào Phương vừa đấm đá đe dọa giết anh này. Khi anh Mạnh và anh Luận vào can ngăn thì Thắng đánh và đuổi những người này ra. Khi anh Phương bị ngã sát cửa sau bên trái xe ô tô taxi đang đỗ chờ khách ở cạnh đó, Thắng đã vừa hô giết anh này, vừa dùng tay trái đập báng súng vào đầu anh Phương. Súng nổ, viên đạn xuyên vào cánh cửa sau bên trái và mép cửa xe ô tô taxi. Thấy vậy, anh Mạnh xông vào ôm từ sau lưng Thắng, một tay giữ tay cầm súng của Thắng và kéo ra xa. Sau đó, Luận lấy xe máy chở Thắng đi về tòa nhà chung cư tại Cổ Nhuế 1, Bắc Từ Liêm, Hà Nội. Thắng cầm theo khẩu súng đi cất giấu còn Luận bỏ đi.
Khám xét khẩn cấp nơi ở của Thắng, lực lượng công an không phát hiện được tang vật. Qua đấu tranh, Thắng khai nhận nơi cất giấu súng là ở hộp kỹ thuật tầng hầm tòa chung cư này. Cảnh sát đã thu giữ được 1 khẩu súng ngắn K54 cùng 4 viên đạn trong đó có 1 viên đã lên nòng. Ngoài ra, cơ quan công an cũng đã thu giữ được đầu đạn tại cửa xe taxi.
