Sau khi xét xử phúc thẩm, Hải có đơn xin ân giảm hình phạt tử hình, không kêu oan (Đơn xin tha tội chết đề ngày 04/5/2009). Trước khi trình Chủ tịch nước bác đơn xin ân giảm hình phạt tử hình, Viện kiểm sát nhân dân tối cao đã tiến hành xác minh, lấy lời khai của Hồ Duy Hải trong trại tạm giam, Hải nhận tội và tỏ ra ân hận về hành vi tội lỗi của mình. Như vậy, trong những thời điểm quan trọng thì Hải đều thừa nhận hành vi phạm tội và mong muốn được giảm hình phạt.
Quá trình điều tra, truy tố, xét xử sơ thẩm và xét xử phúc thẩm không có việc mớm cung, bức cung, ép cung, nhục hình đối với Hải, không có cơ sở chứng minh Hải ngoại phạm. Nhiều tình tiết thể hiện chỉ người thực hiện hành vi phạm tội mới có thể đưa ra được lời khai phù hợp với hiện trường vụ án, diễn biến sự việc và kết quả giám định. Những vấn đề kháng nghị giám đốc thẩm nêu ra sau khi được phân tích, lý giải càng làm rõ hơn hành vi phạm tội của Hải. Với những lý do đã nêu trên, đủ cơ sở để khẳng định:
Khoảng 19 giờ 30 phút ngày 13/01/2008, Hồ Duy Hải đến Bưu điện Cầu Voi bằng chiếc xe Dream biển kiểm soát 62F5-0842, Hải đậu xe phía trong cổng rào và đi vào phòng giao dịch gặp chị Nguyễn Thị Thu Vân đang ngồi trực. Sau đó vào phòng trong ngồi giữa ghế salon, chị Nguyễn Thị Ánh Hồng (nhân viên bưu điện) lên ngồi nói chuyện với Hải và mời Hải uống nước. Quá trình ngồi nói chuyện với chị Hồng, Hải mượn điện thoại Nokia 1100 của Bưu điện dùng để nạp Card cho khách hàng để bấm các chức năng máy một lúc rồi bỏ trên bàn.
Đến khoảng 20 giờ 30 phút, Bưu điện nghỉ, chị Vân vào phòng trong nơi Hải và chị Hồng đang ngồi, do nảy sinh ý định quan hệ tình dục với chị Hồng nên Hải đã đưa tiền cho chị Vân đi mua trái cây. Khi chị Vân đi, Hải nắm tay kéo chị Hồng vào buồng, Hải đẩy chị Hồng nằm ngửa xuống đi văng loại xếp. Hải dùng hai tay nắm hai tay chị Hồng, chị Hồng phản ứng dùng chân đạp vào bụng Hải, Hải buông chị Hồng ra, chị Hồng ngồi dậy chạy về phía sau cầu thang (khu vực bếp nấu ăn), Hải đuổi theo, kéo tay chị Hồng xô vào góc tường gần chân cầu thang, chị Hồng kêu lên, Hải sợ bị phát hiện nên Hải dùng tay đánh vào mặt, bóp cổ và đẩy chị Hồng ngã xuống sàn gạch rồi dùng thớt tròn đập vào vùng mặt và vùng đầu làm chị Hồng bị ngất. Sau đó, Hải lấy con dao inox dài 30cmx3cm trên mặt bàn nấu ăn, tay phải cầm dao, tay trái nắm tóc chị Hồng rồi cắt qua lại 02 cái vào cổ chị Hồng. Thấy chị Hồng nằm im, Hải đi vòng ra phía sau nhà vệ sinh rửa dao và tay cho sạch máu. Hải dắt dao vào lưng quần phía trước bụng đi vào nhà, đến cầu thang thì thấy chị Vân đi mua trái cây về. Chị Vân kéo cửa sắt xuống đóng cửa, đi vào nhà đặt túi trái cây trên bàn salon. Lúc này, Hải nảy sinh ý định giết chị Vân để bịt đầu mối. Hải cầm ghế xếp inox thủ sẵn, khi chị Vân vừa xuống phòng sau thấy chị Hồng bị cắt cổ chết, chị Vân sợ chạy ngược trở lại phòng khách, Hải đuổi theo, dùng ghế đánh vào đầu làm chị Vân ngã xuống nền gạch. Hải đem ghế để tại chân cầu thang nơi để xác chị Hồng, rồi quay ra dùng tay xốc nách chị Vân, kéo đến chỗ xác chị Hồng, Hải đặt đầu chị Vân nằm trên người chị Hồng và lấy con dao inox đang dắt ở lưng quần phía trước bụng cắt vào cổ chị Vân 02-03 cái. Khi cắt cổ chị Vân, máu bắn vào quần áo nên Hải đi vào phòng vệ sinh rửa tay, rửa dao và quẹt sạch các vết máu trên quần áo rồi nhét dao vào phía sau tấm bảng ở sát vách tường gần cầu thang.
Sau khi thực hiện hành vi giết chị Hồng và chị Vân, Hải lên phòng giao dịch mở tủ lấy khoảng 1.400.000 đồng; khoảng 40-50 sim, card điện thoại, đến bàn salon lấy điện thoại Nokia 1100 bỏ vào túi quần. Hải đi dép vào và đến gầm cầu thang chỗ xác chị Vân lấy 01 dây chuyền vàng không có mặt, 01 vòng đeo tay bằng vàng và 01 nhẫn vàng; lấy ở xác chị Hồng 01 đôi hoa tai vàng, 01 sợi dây chuyền vàng mặt bông hoa, 01 lắc đeo tay vàng và 02 nhẫn vàng kiểu. Hải leo qua hàng rào ngăn giữa sân phía sau và sân trước, lấy xe rồi chạy về hướng nhà dì ruột Nguyễn Thị Len. Sau đó, Hải tắm, giặt quần áo, lấy số nữ trang rửa sạch rồi bọc nilon cất. Ngày 18/01/2008, Hải mang số nữ trang, điện thoại, sim card lấy của chị Hồng, chị Vân lên Thành phố Hồ Chí Minh bán. Hải bán điện thoại được 200.000 đồng; bán nữ trang được 3.500.000 đồng; riêng số sim card, Hải bỏ vào bọc rác phi tang. Sau khi gây án một tuần, Hải sợ bị phát hiện nên lấy quần áo mặc hôm gây án và dây lưng ra đốt ở vườn sau nhà bà Len.
Như vậy, các lời nhận tội của bị cáo và những chứng cứ tài liệu thu thập được đã được các cơ quan tiến hành tố tụng từ cấp sơ thẩm, phúc thẩm và Đoàn liên ngành Trung ương thẩm định, đánh giá và khẳng định: do không đáp ứng được mục đích quan hệ tình dục với chị Hồng, bị chị Hồng phản ứng và đạp mạnh vào bụng của Hải, Hải bực tức và sợ bị phát hiện nên đã giết chị Hồng. Khi chị Vân đi mua trái cây về, phát hiện thấy xác chị Hồng, Hải đã giết chị Vân để bịt đầu mối. Sau đó, Hải đã thực hiện hành vi chiếm đoạt tài sản. Tòa án cấp sơ thẩm và Tòa án cấp phúc thẩm kết án Hồ Duy Hải về tội “Giết người” và “Cướp tài sản” là có căn cứ, không oan; xử phạt Hồ Duy Hải tử hình về tội “Giết người” và 05 năm tù về tội “Cướp tài sản”, tổng hợp hình phạt chung của hai tội là tử hình, là đúng pháp luật.
Mặc dù, trong quá trình điều tra, truy tố, xét xử có những thiếu sót, vi phạm nhưng những thiếu sót, vi phạm này không phải là vi phạm nghiêm trọng thủ tục tố tụng và không làm thay đổi bản chất của vụ án. Do vậy, không cần thiết phải huỷ bản án sơ thẩm, bản án phúc thẩm để điều tra lại theo kháng nghị giám đốc thẩm của Viện trưởng Viện kiểm sát nhân dân tối cao.