В ходе следствия было выяснено, что 14 февраля 2014 года Беляев с помощью металлической водопроводной трубы убил свою мать и отца, молодую 23-летнюю сожительницу и подушкой задушил свою дочь, которой было 1 год и 7 месяцев. Затем убийца спрятал тела родных под лестницей в подвале, замаскировав тела посторонними предметами.
Через несколько дней Беляев попытался скрыть состав преступления и сообщил в полицию о пропаже своей семьи, которые якобы 15 февраля покинули поселок Павлово и отправились в Санкт-Петербург. При этом он попытался создать себе алиби, отогнав семейный автомобиль во Всеволожский район в поселок Красная горка, а сам отправился в город к знакомой.
Однако, скрыть убийство своей семьи преступнику не удалось. Правоохранители, прибывшие к нему в дом для расследования заявления о пропаже родственников, обнаружили тела жертв убийцы и арестовали Беляева. Тогда же было заведено уголовное дело по ст. 105 УК РФ за убийство нескольких человек, в том числе несовершеннолетнего ребенка.
По данным источника, ранее Сергей Беляев уже отбывал наказание в тюрьме за убийство, откуда был досрочно освобожден в 2009 году. За убийство четырех членов своей семьи 32-летний преступник получил пожизненное заключение.