Ngày 21/3, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Điện Biên đã khởi tố bị can, bắt tạm giam 2 đối tượng: Phạm Văn Dũng (SN 1972) và Cầm Văn Chương (SN 1974, cùng ở huyện Điện Biên) về tội hiếp dâm.
Vào ngày 20/3, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Điện Biên đã khởi tố, bắt tạm giam Bùi Thị Kim Thu (SN 1975, ở huyện Điện Biên). Trong đó, đối tượng Phạm Văn Dũng là anh trai của Phạm Văn Nhiệm - đối tượng được coi là cầm đầu tích cực bắt giữ, hiếp dâm và sát hại nữ sinh viên Cao Mỹ Duyên; còn đối tượng Bùi Thị Kim Thu chính là vợ của Bùi Văn Công.
5 đối tượng bị khởi tố trước đó gồm: Vương Văn Hùng (SN 1984), trú tại Khối Tân Thủy, huyện Tuần Giáo; Bùi Văn Công (SN 1975), trú tại đội 11, xã Thanh Nưa, huyện Điện Biên; Phạm Văn Nhiệm (SN 1976), trú tại đội 19, xã Thanh Nưa; Lường Văn Hùng (SN 1991), trú tại bản Na Hí, xã Hua Thanh, huyện Điện Biên và Lường Văn Lả (SN 1991), trú tại bản Mển, xã Thanh Nưa, huyện Điện Biên, tỉnh Điện Biên, về các tội giết người, hiếp dâm.
Vụ án xảy ra chiều 4/2 (30 Tết), khi Cao Mỹ D. lái xe máy mang 13 con gà đi bán cho một người đàn ông mua hàng qua điện thoại. Tối hôm đó, nữ sinh đang theo học trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên mất tích nên gia đình trình báo cảnh sát.
Sáng 7/2, thi thể cô gái được phát hiện tại khu vực chăn nuôi của căn nhà hoang ở xã Thanh Nưa, huyện Điện Biên. Lúc này, nạn nhân chỉ mặc áo thu đông, toàn bộ tài sản bị mất. Kết quả khám nghiệm xác định nữ sinh 22 tuổi tử vong do bị siết cổ.
Ngày 10/2, sau 72 giờ truy xét, Công an tỉnh Điện Biên bắt Vương Văn Hùng. Ban đầu, Hùng khai gây án một mình. Tuy nhiên, sau khi cảnh sát thu được mẫu máu của nạn nhân trên xe tải của Bùi Văn Công ở gần nơi phát hiện thi thể nạn nhân, Hùng thay đổi lời khai, nói Công là đồng phạm.
Ngày 17/2, cơ quan chức năng khai quật tử thi Cao Mỹ Duyên để tái khám nghiệm nhằm làm rõ một số tình tiết. Cùng ngày, cơ quan điều tra bắt thêm 4 người liên quan vụ án là Bùi Văn Công, Phạm Văn Nhiệm, Lường Văn Hùng và Lường Văn Lả.
Theo kết quả điều tra, Công chủ mưu bàn bạc với Vương Văn Hùng về việc cướp tài sản, hiếp dâm Cao Mỹ D. Sau khi được Công chỉ mặt, Hùng giả khách mua gà để dụ nạn nhân đến căn nhà hoang ở gần đồi Độc Lập.
Sau khi dùng côn siết cổ, Hùng gọi Công và Phạm Văn Nhiệm đến thay nhau hiếp dâm cô gái. Cao Mỹ Duyên sau bị nhốt trong thùng xe tải của Công. Hùng lấy toàn bộ tài sản của nạn nhân rồi chờ qua giao thừa mang vứt bỏ xe máy.
Ngày 6/2, Lường Văn Hùng và Lường Văn Lả đến nhà Công chơi rồi lên ôtô hiếp dâm nạn nhân. Sau đó, nhóm này bàn cách giết nạn nhân để bịt đầu mối. Khuya hôm đó, Công dùng côn siết cổ khiến nạn nhân tử vong ở nghĩa trang trước khi đưa xác đến căn nhà hoang ở gần nhà.
Như vậy, cho đến thời điểm này, Cơ quan CSĐT Công an tỉnh Điện Biên đã bắt giữ 8 đối tượng liên quan đến vụ án sát hại nữ sinh viên Cao Mỹ D..