Theo cáo trạng, Thái có quan hệ tình cảm với chị N.T.Q. (SN 1982). Cuối tháng 6/2022, hai người xảy ra mâu thuẫn, chị Q. muốn chia tay Thái nên người đàn ông này nảy sinh ý định sát hại người tình.
Trưa 11/8/2022, Thái đi xe máy bám theo nạn nhân đến lớp tập Yoga. Tại đây, bị cáo Thái mang theo dao đã thủ sẵn trong cốp xe máy, ngồi cửa phòng tập đợi nạn nhân. Chiều cùng ngày, khi nạn nhân tập xong, Thái bám theo người phụ nữ này đến phố Hàng Bài, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội.
Sau đó, hai người đã xảy ra cãi vã. Thái rút dao đâm 14 nhát vào người nạn nhân khiến người phụ nữ này tử vong. Sau khi gây án, người đàn ông này dùng dao tự đâm 5 nhát vào bụng rồi tiến lại ôm thi thể nạn nhân. Hành vi dã man của đối tượng Thái xảy ra tại nơi công cộng đã gây rúng động.
Tại toà, bị cáo Thái đã khai nhận hành vi phạm tội. Căn cứ vào lời khai của bị cáo và bản luận tội của Viện KS, TAND Hà Nội tuyên phạt Mai Xuân Thái án tử hình về tội "Giết người".