Ngoài các vật dụng hàng ngày của nạn nhân, lực lượng công an thu được một đôi tất nam tại hiện trường vụ án. Trong quá trình rà soát các mối quan hệ của nạn nhân, lực lượng công an phát hiện chị T có nhiều mối quan hệ bạn bè ở Hà Nội. Mặc dù ra thành phố kiếm việc làm từ năm 2007, nhưng hàng tháng chị T vẫn được nhận tiền trợ cấp của gia đình. Gần đây, chị T hay tiếp xúc với một nam thanh niên ở cùng khu nhà trọ là Đinh Văn Kiên. Kiên dân gốc ở Hải Hậu - Nam Định, ra Hà Nội từ năm 2000.

Hiện tại, Kiên đang làm đầu bếp cho một nhà hàng ở phố Nguyễn Thái Học, Hà Nội và thuê ở trọ cùng khu trọ với nạn nhân Lê Thị Thu T. Thỉnh thoảng, mọi người trong khu nhà trọ ở ngõ 2, đường Thụy Khuê thấy chị T sang phòng trọ của Kiên và ngược lại... Tìm hiểu những thông tin liên quan đến sinh hoạt hàng ngày của Kiên, lực lượng công an nắm được trước và sau khi phát hiện chị T chết trong phòng trọ, Kiên vẫn sinh hoạt bình thường ở phòng trọ của mình.

Cùng với việc rà soát các mối quan hệ của nạn nhân, cơ quan điều tra đã đề nghị trưng cầu giám định đôi tất nam đã qua sử dụng, thu được tại hiện trường vụ án. Qua giám biệt mùi hơi của chó nghiệp vụ được huấn luyện tại các Trung tâm huấn luyện chó nghiệp vụ, Phòng Cảnh sát Bảo vệ và HTTP - Công an TP Hà Nội và Cục C32 - Tổng cục Cảnh sát, đã cho kết quả đôi tất đó là của Đinh Văn Kiên. Căn cứ vào những tài liệu, chứng cứ thu thập được, cơ quan điều tra đã triệu tập Đinh Văn Kiên để đấu tranh.

Ngày 7-7-2008, Đinh Văn Kiên thú nhận đã giết chị T. Lời khai của hung thủ thể hiện đã có mối quan hệ với nạn nhân từ năm 2007. Tối 14-6-2008, Kiên sang phòng trọ của chị T để tâm sự, “quan hệ” với nhau. Sau đó 2 bên đã xảy ra mâu thuẫn và trong lúc tức giận, Kiên dùng chiếc tuốc-nơ-vít đâm nhiều nhát lên người chị T. Gây án xong, Kiên lấy chiếc điện thoại di động Nokia và một ít tiền của chị T rồi lẻn về phòng trọ tắm rửa, thay quần áo rồi đi ngủ.