Tiếp nhận thông tin từ người dân, từ ngày 2 đến 10/10/2013, lực lượng CSHS Bộ Công an đã lần lượt xác minh, bắt 5 đối tượng trong vụ án này, gồm: Nguyễn Văn Tiến (20 tuổi thường trú Cẩm Thủy, Thanh Hóa); Tạ Văn Đạo (tức Hải “sấu” – 18 tuổi trú tại Tam Nông, Phú Thọ); Bùi Thanh Tuấn (23 tuổi trú ở Đông Hưng, Thái Bình); Lê Xuân Hoàng (28 tuổi trú tại phường Phúc Tân, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội). Một đối tượng khác có hành vi phạm tội hiếp dâm song được tại ngoại vì dưới 13 tuổi, là Bùi Quang Chiến (14 tuổi), tạm trú tại phường Thổ Quan (Đống Đa, Hà Nội).
Đáng chú ý trong nhóm có một nhân vật được xem là “thủ lĩnh” tên là Hồng Anh. Hồng Anh là đối tượng đầu tiên đánh em H. ở hồ Hoàn Kiếm. Căn nhà trọ ở phường Phúc Xá mà H. bị đưa về, cũng là nơi tá túc của Hồng Anh. Quá trình các đối tượng nam giới hiếp dâm em H., Hồng Anh chứng kiến toàn bộ.