Ngay sau đó, lãnh đạo Công an huyện đã huy động lực lượng nhanh chóng có mặt tại hiện trường tổ chức công tác điều tra, truy bắt đối tượng. Từ thông tin của người dân cung cấp và bằng các biện pháp nghiệp vụ, đến 13 giờ cùng ngày, Công an huyện Đắk R’lấp đã bắt được 2 đối tượng gồm Nguyễn Thanh Hải (SN 1995), trú tại xã Đạo Nghĩa và Nguyễn Chí Nghĩa (SN 1994), trú tại xã Nghĩa Thắng, (Đắk R’lấp) khi chúng đang lẩn trốn tại địa bàn.
Tại cơ quan điều tra, Hải và Nghĩa đã thừa nhận toàn bộ hành vi phạm tội của mình. Theo đó, vào khoảng 8 giờ 30 phút ngày 15/1, lợi dụng lúc gia đình ông Thiện không có ai ở nhà, chúng đã cạy cửa đột nhập vào nhà, dùng xà beng đục két sắt lấy trộm số tài sản trên. Sau đó, chúng lấy một ít tiền đi mua điện thoại di động, số còn lại cất tại khu vực cầu Đắk R’tih thuộc xã Nhân Cơ.
Từ lời khai của các đối tượng, Cơ quan CSĐT Công an huyện Đắk R’lấp đã thu giữ được hơn 124 triệu đồng và toàn bộ số vàng nói trên.