Qua quá trình điều tra, Cơ quan Cảnh sát điều tra đã xác định Phạm Kim Phê có liên quan đến vụ việc Đỗ Thị Kim H (sinh năm 2007) bị mất tích.
Tại Cơ quan Công an, Phê thừa nhận đã sát hại Đỗ Thị Kim H và chỉ nơi giấu xác nạn nhân trong rừng dương. Sáng 21/6, cơ quan chức năng tổ chức khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi.
Ngay trong ngày 21/6, cơ quan Cảnh sát điều tra Công an tỉnh Phú Yên đã tạm giữ hình sự đối với Phạm Kim Phê.
Sáng 22/6, Cơ quan Cảnh sát điều tra Công an tỉnh Phú Yên đã ra lệnh bắt giữ khẩn cấp Phạm Kim Phê.
Trong quá trình khám nghiệm tử thi và lấy lời khai nghi phạm, cơ quan chức năng tỉnh Phú Yên xác định có dấu hiệu tội phạm về hành vi hiếp dâm nên đã lấy mẫu gửi đi giám định, tiếp tục điều tra làm rõ về hành vi này.