Theo lời khai ban đầu của bà Phạm Thị Xuân: Tối 25.11, bà Xuân vừa ngồi xem phim vừa bế cháu bé đang ngủ trên phản gỗ tại phòng khách của gia đình, còn chị Phạm Thị Thanh Huyền, mẹ cháu bé đang làm việc trong phòng ngủ, anh Lê Hữu Thuận, bố cháu bé đi đón con trai đầu cách nhà khoảng 500m. Khi thấy cháu bé ọ ọe tỉnh giấc, bà Xuân đứng dậy, đi lại đung đưa, vừa ru cho cháu ngủ tiếp vừa đi ra phía cửa, nhưng đầu vẫn ngoảnh lại xem tivi.
Do phòng khách và khu vực sân phía trước có độ cao thấp không đều nhau (nền nhà cao hơn nền sân 11cm) nên bà Xuân bị hẫng chân và ngã dúi người về phía trước ngay cửa chính ra vào phòng khách. Cú ngã bất ngờ khiến bà Xuân để tuột cháu bé khỏi tay và rơi mạnh xuống đất. Đồng thời, bà Xuân cũng ngã theo và đè lên người cháu. Lúc này, bà Xuân vội vàng ngồi dậy, bế cháu lên thì thấy cháu thoi thóp, sữa từ miệng trào ra ngoài.
Cho rằng cháu sẽ không qua khỏi, nên bà Xuân nảy sinh ý định che giấu sự việc bằng cách lấy chăn đang cuốn người cháu trùm kín lên mặt cháu rồi bế ra ngoài bỏ vào túi bóng có sẵn ở đó. Sau đó giấu xác cháu bé và dựng nên hiện trường giả về một vụ bắt cóc trẻ em.
Quá trình đấu tranh chuyên án, Công an tỉnh Thanh Hóa nhận được sự chỉ đạo, phối hợp của Viện Khoa học Hình sự, Cục Cảnh sát hình sự và các đơn vị nghiệp vụ thuộc Bộ Công an.
Đến ngày 28.11, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Thanh Hoá đã xác định được nghi can liên quan trực tiếp đến cái chết của cháu bé chính là bà Phạm Thị Xuân. Bản thân bà Xuân cũng thừa nhận là thủ phạm gây ra cái chết của cháu nội và dựng nên câu chuyện cháu bé bị bắt cóc gây xôn xao dư luận để che giấu việc làm của mình và đánh lạc hướng điều tra của lực lượng công an.
Kết quả điều tra đã xác định nguyên nhân cái chết của cháu bé là: “Ngạt cơ học do cản trở đường hô hấp trên”. Theo đại tá Khương Duy Oanh, đây chính là cơ sở rất quan trọng và là căn cứ để Cơ quan CSĐT khởi tố bà Xuân về tội giết người. Tuy nhiên, quá trình điều tra sẽ tiếp tục làm rõ tính chất của vụ án, làm rõ động cơ mục đích gây án và những tình tiết khác liên quan đến việc kết luận tội danh của bà Xuân.
