Theo điều tra ban đầu, tối 12/1, Thành rủ chị U.T.P. - từng là người yêu (sinh năm 2003; ở thành phố Lai Châu, tỉnh Lai Châu) đi chơi nhưng chị P. nói bận vì phải làm việc.
Hoàng Văn Thành tại cơ quan công an.
Đến khoảng 22h05, sau khi làm xong việc tại cửa hàng, Thành đi xe máy đến số 84 Vương Thừa Vũ để gặp chị P. Đến nơi, Thành thấy cửa hàng nơi chị P. làm việc đóng cửa, không như lời chị P. nói. Thành chụp lại ảnh và gửi cho chị P. xem, đồng thời hỏi lý do vì sao nói dối, nhưng chị P. không trả lời.
Thành quay về tắm và thay quần áo, sau đó tiếp tục đi xe máy tới cửa hàng chị P. để đón đi ăn liên hoan cuối năm. Lúc này, Thành thấy chị P. đang đứng trước cửa nhà số 84 Vương Thừa Vũ cùng với anh D. nên hỏi anh D. với chị P có mối quan hệ như thế nào. Chị P. khẳng định, anh D. là người yêu, khiến Thành và chị P. xảy ra cãi vã.
Thành yêu cầu chị P. gọi điện về cho mẹ để nói về mối quan hệ này. Do mẹ chị P. không nghe máy, Thành nói chờ một lát rồi quay lại.
Trong quá trình đó, Thành đi tìm mua một con dao gọt hoa quả ở phố Hoàng Văn Thái với giá 25.000 đồng. Lúc trở lại, Thành vẫn thấy chị P. đứng với anh D. và đối tượng lại hỏi chị P. về mối quan hệ với mình, tuy nhiên, không được đáp lời. Lúc này, đối tượng rút dao đâm chị P. Anh D. lao vào can ngăn thì bị Thành đâm vào vai trái. Khi chị P. ngã ra đất, vẫn bị nghi phạm đâm tiếp 2 nhát dao vào vùng ngực, phần lưng và 5 nhát vào phần bụng.
Gây án xong, Thành vứt dao tại hiện trường, bỏ đi. Hậu quả, chị P. tử vong tại chỗ, anh D. được cấp cứu tại Bệnh viện Đại học Y Hà Nội. Hoàng Văn Thành đi xe máy bỏ trốn sang quận Long Biên và gửi xe tại một tòa chung cư...
Đến ngày 14/1, sau khi nhận thức được hành vi, biết không thể trốn thoát, Thành đến Công an quận Thanh Xuân đầu thú, đồng thời khai nhận toàn bộ hành vi phạm tội.
