Theo tài liệu của cơ quan điều tra, trưa 23-7-2010, sau khi uống rượu ở nhà người bạn, trên đường về Toại đến thẳng nhà cháu Th. Không thấy bố mẹ cháu Th. ở nhà, Toại bảo Th. đi chơi cùng nhưng Th. không đồng ý.
Lúc này, Toại túm tay Th. và kéo cháu bé ra khu vực suối Cạn, cách nhà Th. khoảng 20 -30m. Tại đây, Toại dùng vũ lực để cưỡng hiếp cháu Th.
Khi Toại đang thực hiện hành vi đồi bại thì chị Bùi Thị Hân (người cùng thôn) phát hiện. Gia đình cháu Th. trình báo sự việc trên lên cơ quan công an.
Sau khi bị bắt giữ Nguyễn Văn Toại khai nhận từ tháng 7-2008 đến 7-2010 y đã xâm hại cháu Th. 6 lần, lần đầu tiên khi Th. mới có 6 tuổi. Sau mỗi lần cưỡng hiếp, Toại đều dọa giết Th. nếu kể sự việc với người khác.
Ngày 22-10 tại TAND tỉnh Thanh Hóa, Nguyễn Văn Toại khai nhận toàn bộ hành vi phạm tội của mình. Tòa tuyên phạt bị cáo Toại 15 năm tù và buộc Toại phải đền bù thiệt hại về tinh thần, vật chất cho gia đình cháu Th. 6,5 triệu đồng.