Tại cơ quan điều tra, các đối tượng quanh co chối tội, liên tục đưa ra các chứng cứ ngoại phạm, nhưng trước các cán bộ điều tra lão luyện của Phòng Trọng án, Cục Cảnh sát hình sự và Công an tỉnh Điện Biên, cuối cùng Dũng và Chương đã khai nhận thực hiện hành vi hiếp dâm nạn nhân nhiều lần.

Trong số 8 đối tượng liên quan đến vụ hiếp dâm, sát hại nữ sinh Cao Mỹ Duyên có 4 người có quan hệ họ hàng, là người thân thiết trong cùng 1 gia đình, 4 đối tượng còn lại có mối quan hệ xã hội, cùng cảnh nghiện ngập, vào tù ra tội.