Tại cơ quan điều tra, Phạm Kim Phê (18 tuổi, ngụ thôn Hòa Hậu, xã An Thạch, huyện Tuy An, Phú Yên) khai khoảng 19h30 ngày 17/6, hắn cùng 3 thanh niên khác cùng ngụ thôn Hội Phú, xã An Ninh Tây rủ em N.P.N.A và Đ.T.K.H (cùng 13 tuổi, ngụ thôn Phú Lương, xã An Ninh Đông, huyện Tuy An) đến khu vực gành Đá Đĩa chơi.
Sau đó em A. có việc nên đi về nhà trước. Còn cả nhóm đi đến tiệm Internet ở xã An Ninh Tây chơi.
Khoảng 23 giờ cùng ngày, Phê chở H. về nhà thì nảy sinh ý định giao cấu nên chở H. vào khu vực rừng phi lao gần cầu An Hải (thuộc thôn Phú Sơn, xã An Ninh Đông).
Nghi phạm Phạm Kim Phê tại cơ quan điều tra.
Tại đây, Phê lao vào ôm chặt H. Cô bé chống cự quyết liệt và lấy điện thoại đang cầm trên tay gọi cho chị ruột là Đỗ Thị Trúc Q. (21 tuổi) nói: “Chị ơi, cứu em”.
Phê liền lập tức đe dọa: “Mày tắt máy không tao đâm chết”. Sau đó hắn ném điện thoại ra xa.
Khi H. vùng bỏ chạy, Phê đuổi theo đánh và bóp cổ đến khi H. nằm bất động, sau đó thực hiện hành vi giao cấu. Quan hệ xong, Phê tự tay đào một hố dài 1,5 mét chôn H. và dùng lá cây phủ lên trên rồi đi về nhà.
Đến sáng 21/6, thi thể H. được tìm thấy.
Liên quan đến vụ án, sáng 22/6, Viện KSND tỉnh Phú Yên phê chuẩn lệnh bắt giữ khẩn cấp Phạm Kim Phê.
Cùng ngày, Cơ quan Cảnh sát Điều tra Công an tỉnh Phú Yên cũng ra quyết định khởi tố vụ án, khởi tố bị can đối với Phạm Kim Phê về hành vi Giết người.