Castelli fu arrestato dai carabinieri il 7 febbraio 2009 con l'accusa di avere ucciso il tunisino Moussa Grine, 43 anni, il cui corpo fu trovato, carbonizzato, nella chiesa della Madonna della Catena di Salemi. Il delitto fu commesso l'8 gennaio 2009.
L'extracomunitario, sposato, era in regola con il permesso di soggiorno e da alcuni anni viveva a Salemi, dove lavorava come bracciante agricolo stagionale. Secondo la ricostruzione degli inquirenti, Grine, la sera in cui morì avrebbe consumato, assieme a Castelli, bevande alcoliche in un locale del centro storico di Salemi. Poi, i due si sarebbero spostati nella casa canonica continuando a bere.
Il tunisino, rimasto senza soldi, avrebbe preteso denaro da Castelli. Tra i due scoppiò una lite, durante la quale il Castelli avrebbe spinto l'extracomunitario giù per le scale. Nella caduta il tunisino ha battuto la testa sui gradini, morendo sul colpo. Castelli avrebbe, quindi, trascinato il cadavere lungo il giardino che separa la canonica dalla chiesa e a distanza di giorni gli avrebbe dato fuoco.
La denuncia di scomparsa era stata presentata il 3 Febbraio fa da un cugino della vittima e i carabinieri avevano avviato una vasta operazione di ricerca nel centro storico di Salemi, fino ad alcuni quartieri terremotati e abbandonati. Guidati dal fiuto di due cani pastore, Eros e Jack, del Nucleo Carabinieri Cinofili di Palermo, i militari sono entrati nella chiesa diroccata di Maria Sanissima della Catena, dove hanno trovato i resti del tronco carbonizzato di un corpo umano, privo della testa e degli arti distrutti dal fuoco. Fabrizio Castelli e' stato trovato subito dopo, nella casa canonica adiacente alla chiesa, dove abitava abusivamente da alcuni mesi, ed e' stato condotto in caserma. Interrogato dal sostituto procuratore Giacomo Brandini, davanti ai gravi indizi di colpevolezza emersi nel frattempo a suo carico - tra i quali alcuni indumenti sporchi di sangue portati ad un amico per essere lavati - Fabrizio Castelli avrebbe confessato di avere ucciso Moussa Grine, con il quale si frequentava occasionalmente.