Nhận thấy việc mất tích của bà Hường có nhiều dấu hiệu nghi vấn, Công an huyện An Sơn đã cử cán bộ xuống địa bàn thẩm tra, xác minh sự việc. Kết quả gia đình bà Hường cho biết, sáng 30/08/1977 bà Hường đi khỏi nhà và có nói đi cùng với Phạm Diệt (55 tuổi), trú tại thị trấn Tháp Chàm. Đến chiều hôm đó, không thấy bà Hường trở về, gia đình có đến hỏi Phạm Diệt thì Diệt không thừa nhận cùng đi với bà Hường mà cho biết 2 người có gặp nhau tại đường vào ga xe lửa, rồi sau đó Phạm Diệt đi việc riêng của gia đình, còn bà Hường đi đâu thì Phạm Diệt không rõ.
Tuy lời khai Phạm Diệt khá rõ ràng, nhưng bằng linh cảm nghề nghiệp các trinh sát nhận thấy việc bà Hường mất tích có liên quan đến Phạm Diệt. Do đó, ngày 05/09/1977, Công an huyện An Sơn đã bắt giữ Phạm Diệt để điều tra làm rõ.
Tại cơ quan Công an Phạm Diệt vẫn ngoan cố, không thừa nhận bản thân có liên quan đến việc mất tích của bà Hường. Cuộc đấu tranh tưởng chừng như bế tắc do không thu thập được chứng cứ buộc tội thì vào ngày 10/9/1977, Công an huyện An Sơn nhận được báo cáo của UBND xã Mỹ Sơn, tại khu vực Suối Cạn thuộc thôn Phú Thạnh, xã Mỹ Sơn, huyện An Sơn có một xác chết phụ nữ đang trong thời kỳ phân hủy mạnh.
Nhận định ban đầu của lãnh đạo Công an huyện rất có thể đó là xác chết của bà Hường. Do đó một mặt gấp rút cử cán bộ phối hợp với Phòng Kỹ thuật hình sự (Công an tỉnh) tiến hành khám nghiệm, mặt khác báo cho gia đình bà Hường cùng đến hiện trường nhận diện tử thi. Đúng như dự đoán, xác chết đó chính là bà Lê Thị Hường. Sau khi hoàn thiện các thủ tục pháp lý đúng quy định, cơ quan Công an đã cho gia đình nạn nhân đưa về mai táng.
Tại nhà tạm giữ của Công an huyện, khi biết tin đã tìm thấy xác bà Hường tại khu vực Suối Cạn, Phạm Diệt tái mặt, lắp bắp nói không thành tiếng, xin gặp cán bộ điều tra thành khẩn khai báo:
Do ở cùng khu phố, nên từ lâu Phạm Diệt có biết bà Hường. Tuy nhiên do mỗi người đều có một cuộc sống riêng nên mối quan hệ đó chỉ dừng lại mức độ biết nhau chứ không thân thiết. Cho đến thời điểm xảy ra vụ việc trên là do Phạm Diệt đang muốn bán một mảnh đất làm rẫy của gia đình tại khu vực Đồng Mé, xã Mỹ Sơn và bà Hường đang có nhu cầu mua nên 02 người mới thường xuyên gặp nhau để thỏa thuận việc mua bán.
Cũng theo lời Phạm Diệt, sáng ngày 04/9/1977, do hẹn trước nên y đã đến đón bà Hường đi thăm rẫy. Vì khu vực rẫy nằm sát bìa rừng, cách xa trung tâm nên cả 2 hẹn nhau đi sớm để tránh nắng. Diệt đã dùng chiếc xe đạp của gia đình để chở bà Hường đi. Khi còn cách rẫy chừng vài cây số, do không còn đường mòn, nên cả 2 thống nhất ngồi nghỉ, sau đó bỏ xe đạp lại bờ suối, rồi cùng nhau đi bộ vào thăm rẫy. Trong quá trình ngồi nghỉ, bà Hường mở túi xách để lấy một số vật dụng cá nhân. Chính lúc này Phạm Diệt đã phát hiện trong túi xách bà Hường có rất nhiều tiền. Lòng tham nổi lên, phạm Diệt suy nghĩ phải giết chết bà Hường để chiếm đoạt số tiền trên.
Để thực hiện mưu đồ đen tối, ngay sau đó Phạm Diệt giục bà Hường đứng dậy, tranh thủ vào thăm rẫy, còn kịp quay về để tránh nắng. Do đã tính toán trước, nên lúc này Phạm Diệt để bà Hường đi phía trước, còn y lẳng lặng đi theo phía sau. Bà Hường không một chút nghi ngờ nên vừa đi vừa trò chuyện với Phạm Diệt hết sức vui vẻ. Khi đến bờ Suối Cạn, thấy cơ hội thuận tiện, Phạm Diệt từ phía sau lao tới, dùng cây gỗ mà y lượm được ven suối đánh tới tấp vào đầu bà Hường. Do quá bất ngờ, bà Hường vừa bỏ chạy vừa thất thanh kêu cứu… nhưng bốn bề vắng lặng, không một ai nghe thấy tiếng kêu cứu của bà. Phạm Diệt đã đuổi kịp, hắn đánh tiếp vào đầu cho đến khi bà Hường gục xuống bên bờ Suối Cạn.
Biết chắc chắn bà Hường đã chết, y lục túi xách lấy toàn bộ số tiền, vàng mà bà Hường mang theo gồm 108 đồng và một đôi bông tai bằng vàng (đây là tài sản lớn vào thời điểm này), rồi lấy lá cây phủ lên xác bà Hường. Sau đó, y đã trở lại lấy xe đạp rồi ung dung ra về. Phạm Diệt nghĩ rằng tội ác của y diễn ra nơi vắng vẻ, không có ai nhìn thấy thì khó lòng để bắt y đền tội ác. Do đó khi người nhà bà Hường cũng như cơ quan Công an gọi hỏi y vẫn một mực quanh co chối tội. Cho đến khi xác chết của bà Hường được tìm thấy nơi y gây án, mới làm cho Phạm Diệt tỉnh ngộ.
Hành động tàn bạo của Phạm Diệt đã bị toà án nhân dân tỉnh Thuận Hải xét xử và tuyên phạt tử hình.
Nguyên Thảo