Theo nhân chứng, ngọn lửa bùng phát lúc hơn 18h từ một căn phòng trên tầng 3, sau ít phút khói lửa bao trùm phần lớn tòa nhà. Nhiều người mắc kẹt phía trên ra dấu hiệu cầu cứu.
Khoảng 10 xe cứu hỏa và 400 cảnh sát phòng cháy chữa cháy, bộ đội, dân quân tự vệ được huy động triển khai chữa cháy. Do tòa nhà thiết kế lớp kính phía ngoài khá dày, cảnh sát phải dùng búa phá kính, đưa vòi rồng vào. Một bộ phận khác tiếp cận các nạn nhân phía trong bằng cầu thang bộ.
Đến 20h15, lửa cơ bản được dập tắt. Tuy nhiên, khói vẫn âm ỉ, lính cứu hỏa tiếp tục phun vòi rồng đề phòng lửa bùng phát trở lại. Nhiều xe cứu thương hú còi inh ỏi chở nạn nhân tới các bệnh viện.
Khuya cùng ngày, ông Lê Văn Sỹ, Giám đốc Bệnh viện Đa khoa tỉnh Thanh Hóa, cho hay trong số 15 nạn nhân nhập viện có hai phụ nữ đã qua đời do ngạt khí. 13 người khác ngất xỉu khi được đưa ra khỏi tòa nhà, trong đó có ba lính cứu hỏa.
Lực lượng cứu hộ nghi ngờ còn nạn nhân mắc kẹt trong thang máy và tầng 3, nơi lửa bùng phát, nên tiếp tục phá cầu thang máy, tìm kiếm người. Phó chủ tịch tỉnh Thanh Hóa, ông Nguyễn Đức Quyền, chỉ đạo công tác cứu hộ.
Công an vẫn phong tỏa hai đầu đại lộ Lê Lợi, tìm kiếm người và điều tra nguyên nhân cháy. Theo một số nhân chứng, chiều nay các đơn vị ở tầng 3 tổ chức liên hoan tất niên, nấu nướng ăn uống nên nguyên nhân có thể do chập điện.
Tòa nhà 11 tầng nằm ở số 38 đại lộ Lê Lợi, trung tâm thành phố Thanh Hóa, thuộc sở hữu của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, có khoảng 30 doanh nghiệp khác thuê văn phòng làm điểm giao dịch, hàng ngày có hàng trăm người đến đây làm việc.