שלושה ימים לאחר הפיגוע נעצרו ארבעה מחבלי חמאס תושבי האזור, והמחבל שירה לעבר בני הזוג חוסל בפעילות של לוחמי צה"ל ושב"כ. במהלך הפעילות אותר והוסגר הנשק ששימש את המחבל בביצוע הפיגוע וכן ציוד נוסף, בהם רשת הסוואה, כיסוי בד ירוק ותחמושת – כולם שימשו את המחבל בביצוע המעשה.
מחקירת שב"כ והמשטרה עלה כי החשודים היו מעורבים יחדיו בארבעה פיגועים במהלך חצי השנה האחרונה, חלקם כללו פצועים או גרמו לנזק לרכוש.
עם סיום חקירה מקיפה ורחבת היקף, הועבר היום התיק לפרקליטות הצבאית, שעתידה להגיש בימים הקרובים כתבי אישום חמורים נגד כלל המחבלים.