Ngay sau khi xảy ra vụ nổ, Ban Chỉ huy Công an quận Hoàng Mai nhận định, đây là vụ cố ý gây thương tích. Nguyên nhân do mâu thuẫn xã hội liên quan đến hoạt động mua bán dụng cụ cờ bạc bịp, đối tượng gây án có hiểu biết về việc sử dụng vật liệu nổ, các loại kíp nổ, việc gây nổ làm bị thương nhiều người, gây hoang mang dư luận, gây mất an ninh trật tự trên địa bàn.

Với ý thức trách nhiệm cùng tinh thần kiên quyết, phải bắt bằng được những kẻ đã gây ra vụ nổ, Công an quận Hoàng Mai đã cử nhiều tổ trinh sát tinh nhuệ xác minh tại các tỉnh Thanh Hóa, Ninh Bình, Hải Phòng, Yên Bái, Lai Châu. Đến ngày 14/9/2019, Công an quận Hoàng Mai phối hợp với Đội 9 Phòng Cảnh sát Hình sự Công an TP Hà Nội bắt giữ Phạm Hùng Cường​ (30 tuổi, ở phường Vĩnh Niệm, quận Lê Chân, TP Hải Phòng) và Hà Huy Thuận (31 tuổi, ở xã Cảm Ân, huyện Yên Bình, Yên Bái).

Cường và Thuận tại cơ quan công an.

Quá trình điều tra, cơ quan công an xác định, người bị thương trong vụ nổ là Phùng Văn Dũng (29 tuổi) và Trần Khánh Duy (20 tuổi, cùng quê Vĩnh Phúc) làm nghề buôn bán thiết bị, phần mềm chơi cờ bạc bịp (điện thoại đổi bài, điện thoại đánh bài, kính áp tròng nhìn bài, ví đổi bài, áo đổi bài, bát hình xóc đĩa có gắn camera, quân từ chơi xóc đĩa, phần mềm hack game xóc đĩa, máy sửa tin nhắn lô đề) trên mạng Internet và sử dụng 2 số điện thoại 097.340.xxxx và 097.308.xxxx (đều đăng ký tên thuê bao của Dũng) đăng kèm để các khách hàng liên hệ mua.

Dũng thường mua các thiết bị chơi cờ bạc bịp bên Trung Quốc của người có nick zalo "CVK" hình thức giao dịch là Ship COD qua chuyển phát nhanh rồi lập các trang Facebook cờ bạc bịp và đăng kèm 2 số điện thoại nêu trên để bán hàng cho các đối tượng có nhu cầu mua.

Khoảng tháng 2/2019, thông qua mạng xã hội, Hà Huy Thuận có liên lạc với Phùng Văn Dũng qua số điện thoại 097.340.xxxx mua một máy điện thoại HTC có cài đặt phần mềm BEYOND SMS HTC sửa nội dung tin nhắn trên điện thoại với số tiền 7.000.000 đồng để đánh bạc bịp nhưng khi sử dụng để ghi lô đề bị thua.

Thuận tiếp tục liên lạc lại với Dũng thông qua số điện thoại 097.340.xxxx để đòi lại tiền nhưng Dũng không nghe máy, từ đó Thuận nảy sinh ý định mua kíp nổ chế tạo gửi cho Dũng với mục đích đe dọa đòi lại tiền (bản thân Thuận có kiến thức về chế tạo kíp nổ). Tháng 3/2019, Thuận lên mạng tìm hiểu và mua 4 kíp nổ với số tiền 200.000 đồng và cất giấu tại nhà. Đến tháng 5/2019, do Thuận trục trặc tình cảm và ly thân với vợ nên Thuận gọi điện cho Cường tìm việc làm.

Do Cường cùng làm nghề buôn bán công cụ đánh bạc bịp nên rủ Thuận xuống nhà ở cùng, đồng thời hỗ trợ hắn buôn bán thiết bị đánh bài bịp. Thuận đã đồng ý về nhà Cường. Khi đi về nhà Cường, Thuận có mang theo 4 kíp nổ đã đặt mua trước đó.

Sau khi đi về nhà đồng bọn, Thuận kể Cường nghe về việc mình bị Dũng lừa, Thuận bảo sẽ chế tạo bom tự chế đe dọa cho Dũng sợ. Khoảng giữa tháng 8/2019, Thuận bàn bạc với Cường sẽ chế tạo kíp nổ đặt vào hộp gửi cho Dũng với mục đích đe dọa, Cường đồng ý và dặn Thuận nếu có làm thì đừng để Dũng bị thương, Thuận bảo chỉ có kíp nổ thôi, nếu có nổ thì cũng không bị làm sao.

Việc Thuận chế tạo kíp nổ Cường biết nhưng Cường không hỏi vì đã thống nhất với Thuận về việc gửi kíp nổ chỉ để đe dọa Dũng. Cuối tháng 8/2019, Thuận nói với Cường là đã chế tạo xong kíp nổ, Cường, Thuận bàn bạc với nhau mua một sim điện thoại rác để liên hệ với Dũng gửi hộp carton gắn kíp nổ nhằm tránh bị cơ quan công an phát hiện.

Đến khoảng 8h30 ngày 7/9/2019, sau khi gói hàng được gửi đi, nhận được gói hàng do Thuận gửi lên, Trần Khánh Duy cùng Phùng Văn Dũng đến quán nước chè trước cửa ki ốt số 10 HH3A Linh Đàm mở thì gói hàng phát nổ làm Duy, Dũng, Phương, Vinh và bà Hương (chủ quán nước) bị thương. Sau 1 tiếng rưỡi xảy ra sự việc, đến 10h ngày 7/9/2019, Cường đọc báo trên mạng thấy đăng tin vụ gây nổ ở tòa nhà HH3A Linh Đàm làm bị thương nhiều người nên Cường, Thuận rủ nhau bỏ trốn. Đến ngày 14/9/2019, khi Cường, Thuận đang trốn tại Khách sạn Lan Anh (thị trấn Phong Thổ, Lai Châu) thì bị cảnh sát phát hiện và bắt giữ.