Theo điều tra của cơ quan công an, Nguyễn Thị Thảo ở nhà làm ruộng và làm phụ hồ. Thảo thường chơi cờ bạc, do đó gặp nhiều khó khăn về kinh tế. Do ở cùng xóm với bà Nguyễn Thị Huấn (sinh năm 1959) là Giám đốc Hợp tác xã nông nghiệp thôn Duệ Đông, sống độc thân, Thảo đã nhiều lần đến nhà bà Huấn mua thuốc trừ sâu. Biết bà Huấn hay cất tiền trong chiếc gối ở phòng ngủ, Thảo đã nảy sinh ý định giết bà Huấn để lấy tiền.
Tối 11/9, Thảo mang theo chày giã cua bằng kim loại đi đến nhà bà Huấn giả vờ mua thuốc trừ sâu như mọi lần. Thấy người quen, bà Huấn mở cửa rồi đi lấy thuốc trừ sâu để bán cho Thảo. Đợi bà Huấn đang cúi xuống lấy thuốc, Thảo dùng chày đập liên tiếp nhiều nhát vào đầu, đến khi thấy nạn nhân không còn cử động Thảo mới dừng lại. Sau khi giết bà Huấn, Thảo lục lọi lấy tiền và một số tài sản khác của nạn nhân. Trên đường về nhà, Thảo phi tang chiếc chày giã cua xuống ao.
Phòng Cảnh sát Hình sự - Công an tỉnh Bắc Ninh tiến hành khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi, bước đầu xác định các vết thương trên do vật tày tác động gây nên. Căn cứ kết quả khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi, tài liệu điều tra, Phòng Cảnh sát Hình sự - Công an tỉnh Bắc Ninh xác định có dấu hiệu của vụ án hình sự giết người, cướp tài sản; quyết định khởi tố vụ án hình sự giết người, cướp tài sản.
Bằng các biện pháp nghiệp vụ, lực lượng công an đã nhanh chóng xác định đối tượng Nguyễn Thị Thảo có nhiều dấu hiệu nghi vấn liên quan trực tiếp tới vụ án. Ngày 21/9, lực lượng Công an triệu tập đối tượng Thảo để đấu tranh làm rõ.
Tại cơ quan điều tra, trước các chứng cứ, lập luận sắc bén cùng các biện pháp nghiệp vụ, Thảo đã thừa nhận toàn bộ hành vi phạm tội của mình, khi dùng chiếc chày giã cua giết bà Huấn để cướp tài sản.