Heloisa foi atingida por disparos na nuca e no ombro quando estava retornando para casa com a família, depois de um passeio em Petrópolis, na região serrana. O MPF solicitou que os policiais respondam por homicídio qualificado, tentativa de homicídio e fraude processual, além de pagar uma indenização de R$ 1,3 milhão aos pais e irmã da vítima. O órgão também requereu que o julgamento do caso seja realizado por júri popular, podendo resultar em penas máximas que somam até 58 anos de prisão para os acusados.
Os policiais alegaram que tinham a informação de que o veículo em que Heloisa estava era roubado e que a viatura policial foi alvo de disparos. No entanto, o MPF descartou ambas as possibilidades, afirmando que a documentação do carro não apresentava nenhuma restrição e que não havia arma no veículo da família. O procurador responsável pela denúncia destacou que mesmo que houvesse criminosos no automóvel, isso não justificaria os policiais atirarem e se converterem em “tribunal e executores”.
A investigação da morte da criança envolveu depoimentos de familiares, testemunhas, dos acusados e perícias no carro da família e nas armas dos policiais. Segundo a denúncia, os disparos aconteceram antes mesmo do carro parar, com a vítima ainda em movimento. O procurador responsável pelas investigações enfatizou que não havia motivo para os policiais atirarem no veículo a curta distância, a não ser com a intenção de matar.
Após a morte de Heloisa, o MPF solicitou a prisão provisória dos policiais para garantir o andamento da ação penal, alegando que há perigo concreto em manter a liberdade dos acusados. Na época, a responsável pela área temática dos direitos humanos da Polícia Rodoviária Federal afirmou que a morte da menina vai contra as diretrizes da corporação, classificando os resultados do episódio como inesperados e indesejados. A Federação Nacional dos Policiais Rodoviários Federais afirmou que acompanharia de perto a investigação e que estava confiante de que o processo legal seria respeitado, com ampla defesa e direito ao contraditório.