La mattina del 13 agosto 2007 Sempio va nella villetta di via Pascoli, a Garlasco, per avere approccio sessuale con Chiara Poggi, sapendo che lei era da sola: l'omicidio non era premeditato e si verifica dopo il rifiuto di lei.
È la tesi dei carabinieri, descritta nelle conclusioni dell'informativa finale dei carabinieri, un documento di 308 pagine, dal quale emergono due possibili fasce orarie per l'omicidio. Una prima in cui il delitto sarebbe stato commesso tra le 9.12 (orario del disinserimento dell'allarme per fare uscire i gatti) e le 9.58, che è l'orario in cui Sempio prova a fare una telefonata all'amico Capra. E una seconda in cui l'omicidio potrebbe essere stato commesso tra le 9.58 e le 11.25, momento in cui Sempio viene chiamato dai genitori.
Entrambe le fasce orarie, secondo le analisi, sono compatibili con la digestione del contenuto gastrico della vittima.
Stando alla ricostruzione degli investigatori, Sempio - all'epoca 19enne - aggredisce Chiara inizialmente colpendola a mani nude, infierendo poi con uno strumento preso sul posto (forse un martello, compatibile con l'arnese mancante che poi i Poggi segnaleranno agli inquirenti). C'è stata un'estenuante difesa della vittima, anche dimenandosi quando viene afferrata per le caviglie scrivono i carabinieri. Tanto che su due unghie di ciascuna mano di Chiara viene rinvenuto il dna dell'aggressore, compatibile con quello di Sempio.
