Khoa là nghi phạm liên quan tới vụ "mất tích" bí ẩn của chị Vi Thị Thống (sinh năm 1999) từ ngày 8/2 (nhằm ngày 29 Tết Nguyên đán).Cụ thể, chiều 9/2 (nhằm ngày 30 Tết Giáp Thìn), Công an phường Tăng Nhơn Phú B, thành phố Thủ Đức nhận được tin báo của chị Vi Thị Huệ (cư trú tại xã Sông Ray, huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai) về việc em ruột là chị Vi Thị Thống (sinh năm 1999; cư trú tại phòng trọ số 4, nhà số 103/18 Quang Trung, khu phố 5, phường Tăng Nhơn Phú B, thành phố Thủ Đức) đi đâu không rõ, gia đình không liên lạc được từ cuối buổi chiều 8/2.Công an phường Tăng Nhơn Phú B đã cử lực lượng xuống nhà trọ để xác minh thông tin và tổ chức truy tìm tung tích chị Vi Thị Thống. Công an phường đã cùng với người nhà chị Vi Thị Thống kiểm tra bên trong phòng trọ số 4, ghi nhận xe mô tô, quần áo, đồ dùng cá nhân vẫn còn trong phòng trọ, không có sự xáo trộn bất thường. Tiếp tục áp dụng các biện pháp truy tìm và thu thập hình ảnh camera nhà trọ ghi nhận, chị Vi Thị Thống không ra khỏi khu trọ từ khoảng 14 giờ ngày 8/2; đồng thời, xác định chị Vi Thị Thống vẫn chưa về nhà tại xã Sông Ray, huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai.Từ kết quả báo cáo của Công an thành phố Thủ Đức, Ban Giám đốc Công an Thành phố đã phân công Thiếu tướng Mai Hoàng - Phó Giám đốc, Thủ trưởng Cơ quan Cảnh sát điều tra Công an Thành phố Hồ Chí Minh trực tiếp chỉ đạo xác lập chuyên án nhằm tăng cường lực lượng của các Phòng nghiệp vụ Cảnh sát, kỹ thuật hình sự, kỹ thuật nghiệp vụ phối hợp Công an thành phố Thủ Đức; áp dụng đồng bộ các biện pháp nghiệp vụ khẩn trương xác minh, nhanh chóng làm rõ bản chất vụ việc và truy tìm tung tích nạn nhân.Công an Thành phố đã triển khai 6 tổ công tác khẩn trương rà soát hiện trường tại khu vực nhà trọ, các địa điểm có liên quan và xác minh thông tin các cá nhân ở cùng khu vực nhà trọ của chị Vi Thị Thống, cùng các đầu mối thông tin khác tại nhiều địa phương; kết quả nổi lên đối tượng Nguyễn Đăng Khoa (sinh năm 1999, cư trú cùng khu trọ với nạn nhân) có nhiều biểu hiện bất thường. Đối tượng đã không còn ở nơi cư trú.Chưa đầy 24 giờ khẩn trương truy xét, lực lượng phá án đã truy bắt được đối tượng Nguyễn Đăng Khoa khi đang lẩn trốn tại xã Cát Khánh, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định, di lý về Cơ quan Cảnh sát điều tra Công an Thành phố Hồ Chí Minh để tập trung đấu tranh, làm rõ.Kết quả điều tra xác định: Vào khoảng 15 giờ ngày 8/2, sau khi dẫn dụ nạn nhân qua phòng trọ của mình với lý do phụ giúp dọn đồ đạc, Nguyễn Đăng Khoa đã khóa cửa phòng trọ, dùng dao đe dọa, uy hiếp nhằm mục đích cướp tài sản; sau đó dùng vũ lực tấn công và sử dụng dao đâm, dẫn đến cái chết của chị Vi Thị Thống. Ngay sau đó, đối tượng Nguyễn Đăng Khoa tiếp tục thực hiện hành vi hiếp dâm đối với nạn nhân. Khoa đã chiếm đoạt 1 lắc tay, 3 nhẫn (2 nhẫn vàng 9999), 1 sợi dây chuyền, 1 đôi bông tai bên trong ba lô và 3 triệu đồng trong túi đeo chéo của chị Vi Thị Thống.Để che giấu hành vi phạm tội, đối tượng Nguyễn Đăng Khoa đã dùng dao phân tử thi của nạn nhân thành nhiều phần, bỏ vào túi nylon đen, đem đi phi tang tại khu vực bụi cây rậm rạp ven đường nội bộ Khu Công nghệ cao Thành phố Thủ Đức (thuộc phường Tăng Nhơn Phú A, thành phố Thủ Đức).

Theo Cơ quan điều tra, căn cứ kết quả khám nghiệm hiện trường, khám nghiệm tử thi, kết quả giám định và tài liệu chứng cứ thu thập được; đã có đủ căn cứ và cơ sở khoa học khẳng định đối tượng Nguyễn Đăng Khoa đã thực hiện hành vi cướp tài sản, giết người và hiếp dâm đối với chị Vi Thị Thống vào khoảng 15 giờ ngày 8/2, nên ra các quyết định khởi tố và bắt tạm giam bị can để điều tra.