Trước đó, chiều cùng ngày, Thiếu tướng Nguyễn Thanh Tùng, Phó Giám đốc, Thủ trưởng Cơ quan CSĐT Công an TP Hà Nội cho biết: Theo tài liệu Cơ quan CSĐT, ngày 10/10, Khanh hẹn chị Hồ Yến Nhi (SN 2006, ở Hà Nội) đến nhà Khanh tại phòng 5A8A toà S2-12 KĐT Vinhome Oceanpark, Đa Tốn, Gia Lâm, Hà Nội. Khi vào trong phòng khách, Khanh và chị Nhi xảy ra mâu thuẫn nên Khanh đã lấy dao nhọn đâm nhiều nhát vào vùng ngực chị Nhi.
Sau khi sát hại chị Nhi, Khanh phân xác chị Nhi thành nhiều phần rồi cho toàn bộ các phần thi thể vào bên trong thùng xốp, dùng băng dính dán kín lại. Đối tượng đón xe taxi mang theo thùng xốp bên trong đựng thi thể chị Nhi đi đến Miếu Bản thuộc thôn Giang Cao, xã Bát Tràng, huyện Gia Lâm, Hà Nội để phi tang.
Ngay sau khi về đến chung cư, Khanh đã lấy xe máy Honda Air Blade, BKS 17B7- 342.63 đi đến cầu Thanh Trì vứt 2 chiếc điện thoại của chị Nhi xuống sông Hồng, giấu túi xách, dép của chị Nhi ở nhà trọ tại thôn 2, xã Bát Tràng, Gia Lâm, Hà Nội (Cơ quan điều tra đã thu giữ được túi xách, đôi dép nói trên).
Đến chiều 12/10, do lo sợ thi thể chị Nhi bị phát hiện, Khanh đã đến chợ gần khu vực ngã tư Đa Tốn, Gia Lâm, Hà Nội mua 125.000 đồng xi măng, mang đến khu vực giấu thi thể chị Nhi với mục đích phủ xi măng lên phía trên. Nhưng do nơi giấu thi thể có đông người qua lại nên Khanh mang xi măng về nhà.
Rạng sáng 13/10, Khanh một mình quay lại vị trí nơi giấu thi thể chị Nhi và đổ xi măng phủ lên phía trên. Chiều 13/10, khi biết được thông tin Cơ quan Công an đã phát hiện thi thể của chị Nhi, Khanh di chuyển đến bến xe Giáp Bát, đi xe khách bỏ trốn về Thái Bình.
Đến khoảng 23h tối 14/10, Phòng CSHS Công an TP Hà Nội đã phối hợp với Phòng CSHS Công an tỉnh Thái Bình, Công an huyện Gia Lâm phát hiện, bắt giữ Tạ Duy Khanh khi đối tượng đang lẩn trốn tại nhà riêng ở xã Đồng Thái, huyện Kiến Xương, tỉnh Thái Bình.
Quá trình vây bắt, đối tượng Khanh đã dùng dao chọc tiết lợn tự sát nhưng bị các lực lượng chức năng khống chế, bắt giữ, đưa đến Bệnh viện đa khoa tỉnh Thái Bình cấp cứu để xử lý theo quy định của pháp luật.