Ngay sau khi nhận được tin báo, Lãnh đạo Công an tỉnh Lào Cai đã chỉ đạo Phòng Cảnh sát điều tra tội phạm về trật tự xã hội, Công an TP Lào Cai phối hợp với các lực lượng, Công an các huyện khẩn trương thông tin phối hợp truy đuổi trên các tuyến đường giao thông trên địa bàn toàn tỉnh với mục đích nhanh chóng bắt giữ được đối tượng.
Tại cơ quan Cảnh sát điều tra đã xác định đối tượng tên thật là Nguyễn Thị Dung (SN 1999), trú tại xã Đông Hải, huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định. Đối tượng khai nhận, khi đi qua nhà cháu bé, thấy cháu bé xinh xắn nên xin bế và đưa cháu lên Sa Pa chơi. Khi đi đến khu vực tổ 1 - thị trấn Sa Pa thì bị lực lượng chức năng bắt giữ.
Các phòng nghiệp vụ Công an tỉnh cũng đã bàn giao cháu bé cho gia đình trong tình trạng sức khỏe tốt và tiến hành tiếp tục điều tra vụ án.