Bị người t́nh thúc ép chuyện về ra mắt, Toàn nảy sinh ư định độc ác. Trên đường ngược ra Bắc, hắn đă nhẫn tâm sát hại người yêu cho rảnh nợ.
Với những thông tin ban đầu thu thập được, Ban chuyên án nhận định, nạn nhân có thể là chị Nguyễn Thị Minh K (trú tại khu phố 3, phường Tam Ḥa, TP Biên Ḥa). Lấy mẫu giám định, kết quả cho thấy nạn nhân bị sát hại tại đồi Thiêng có cùng huyết thống với người thân chị K. Từ đây, Toàn được xác định là nghi phạm sát hại chị K.
Bởi lẽ, qua xác minh thân nhân đối tượng này, Công an tỉnh Thanh Hóa được biết, Nguyễn Văn Toàn có hộ khẩu thường trú tại Nga Sơn, Thanh Hóa. Năm 1991, Toàn vào Đồng Nai kết hôn với chị Vũ Thị Ngọc Lan, sinh được 3 người con. Sau đó, Toàn bỏ chị Lan và có quan hệ t́nh cảm với chị Nguyễn Thị Minh K.
Gia đ́nh chị K phát hiện Toàn đă có vợ con nên kịch liệt phản đối mối quan hệ này. Như bị mê dại trong lưới t́nh, bỏ mặc lời khuyên can của gia đ́nh, chị K. vẫn tiếp tục mối quan hệ mập mờ với Toàn. Một thời gian sau, biết ḿnh có thai nên chị K nói với Toàn và yêu cầu y đưa về quê để ra mắt gia đ́nh y. Sau chuyến đi ấy, chị K đă mất hoàn toàn liên lạc với gia đ́nh cho đến khi bị phát hiện bị sát hại tại đồi Thiêng.
Lúc này, một kế hoạch "đón lơng" Toàn được giăng sẵn ngay tại khu vực nhà máy thức ăn gia súc Thanh B́nh. C̣n Toàn, hắn luôn tự tin là đă rất khéo léo tạo ra cho ḿnh một vỏ bọc vô can. Chính v́ vậy, khi tra tay vào c̣ng, Toàn vẫn không ngờ có thể sa lưới nhanh đến như vậy.
Đối tượng Nguyễn Văn Toàn tại cơ quan điều tra.
Tại cơ quan Công an, Toàn khai nhận chính ḿnh đă giết nạn nhân Nguyễn Thị Minh K. Theo đó, ngày 9/9/2005, Toàn và chị K lên xe khách về Thanh Hóa. Trên đường đi đến Nghệ An, Toàn nảy sinh ư định sát hại người t́nh với ư nghĩ, nếu đưa chị K về quê th́ sẽ bị vợ cũ đánh ghen.
Chiều 10/9/2005, xe chạy đến địa phận TP Thanh Hóa th́ Toàn nói với chị K là đưa dây chuyền vàng của chị cho y đeo nếu không sẽ bị cướp giật khi đi đường. Không mảy may nghi ngờ, chị K đă bước đầu đi vào kế hoạch Toàn định sẵn. Đến chiều cùng ngày, chị K phải đến pḥng khám tư nhân v́ đau bụng. Tại đây, bác sĩ chẩn đoán chị K bị sảy thai.
Sau khi rời pḥng khám, Toàn đưa chị K. đến bên xe phía Tây thuê pḥng trọ. Ngày 12/9/2005, Toàn đưa chị K đưa lên khu vực đồi Thiêng thuộc địa phận xă Cẩm Tâm để thực hiện hành vi tội ác của ḿnh.
Hôm đó, trời mưa tầm tă như trút nước, Toàn cho xe máy lên gần đỉnh đồi, chờ thời cơ ra tay sát hại người t́nh. Lợi dụng lúc chị K không để ư, Toàn dùng đá đập nhiều lần vào đầu và mặt người t́nh đến khi nạn nhân tử vong.
Sau khi thực hiện hành vi tội ác Toàn rời địa điểm gây án về huyện Nga Sơn để làm chứng minh nhân dân. Đến ngày 15/9/2005, hắn quay lại thị trấn Cẩm Thủy để bán chiếc dây chuyền lấy được từ người nạn nhân. Sau đó, Toàn ngược vào Đồng Nai cho đến khi bị bắt giữ.
Với hành vi độc ác của ḿnh, TAND tỉnh Thanh Hóa đă tuyên phạt Nguyễn Văn Toàn mức án "tử h́nh" về tội "Giết người". Kẻ thủ ác đă bị pháp luật trừng trị thích đáng nhưng qua vụ việc này cũng là lời cảnh tỉnh cho những cô gái nhẹ dạ, đặt niềm tin và t́nh yêu không đúng chỗ.