המחבל שביצע את פיגוע הירי ליד צומת תקוע נלכד אחר הצהריים (ראשון) על ידי כוחות הביטחון בתום חילופי אש בבית לחם, לאחר שהתחבא שם בתוך מסגד. במקביל, בבית החולים שערי צדק בירושלים השתפר מצבו של הפצוע בפיגוע, תושב נוקדים אלראי קאפח (37) - ומצבו מוגדר כעת בינוני.
זמן קצר לאחר הפיגוע הובן על פי פעולות מודיעיניות שהמחבל נמצא באזור בית לחם, ולכן הוטל "כתר נושם" על העיר - ונבדקו כלי רכב בכניסות וביציאות ממנה. בשלב מסוים הגיעה אינדיקציה מודיעינית, אחרי עבודת מודיעין של שב"כ ו-8200, שלפיה המחבל נמצא בתוך מסגד אל-ריבאט שבמרכז בית לחם, ליד בניין המוקטעה בעיר.
כוח של דובדבן הוקפץ לזירה יחד עם מפקד חטיבת עציון, אל"מ איתי מטק, וכוח בידוד של גדוד רם ומג"ב. הכוחות נכנסו לתוך בית לחם, החלו לבצע נוהל "סיר לחץ" על המסגד והוציאו ממנו את המתפללים. במקום התפתחו עימותים ונעשה שימוש באמצעים לפיזור הפגנות. כעבור זמן קצר המחבל יצא מהמסגד, הסגיר את עצמו - ונעצר. הלוחמים גם עצרו שני חשודים נוספים שיצאו מהמסגד.
על פי גורמי ביטחון, ההערכה היא כי המחבל משויך לחמאס, ושהוא נטש את הרכב ונכנס למסגד מתוך מחשבה שלא ייעצר שם. זמן קצר לאחר הפיגוע כוחות התצפיות של יחידה 636 זיהו אותו בזמן שנסע, לפני שנטש את רכבו. ברכב שאיתו ביצע את הפיגוע נמצאו גם רובי M16.
מדובר צה"ל נמסר לאחר לכידת המחבל: "לוחמי צה"ל ומג"ב, בהכוונה מודיעינית של שב"כ, עצרו את המחבל החשוד בביצוע פיגוע הירי מוקדם יותר היום". שר הביטחון יואב גלנט כתב בטוויטר: "מברך את כוחות צה"ל, מג"ב ושב"כ שעצרו לפני זמן קצר את המחבל שביצע הבוקר את פיגוע הירי בתקוע. כפי שהוכחנו היום, כך נוכיח בכל פעם שנידרש - כל מעגל טרור ייסגר, כל מחבל ישלם מחיר כבד. שולח איחולי החלמה מהירה ובריאות שלמה לאלראי קפאח ולבנותיו שנפצעו בפיגוע".
בינתיים, הסתיים בבית החולים שערי צדק בירושלים הניתוח להוצאת הקליע של פצוע הפיגוע, אלראי קאפח. מצבו מוגדר כעת בינוני והוא בהכרה מלא.
אחיו מבשר קאפח, ראש מחלקת הדרכה בבני עקיבא, אמר לאחר הפיגוע: "אחי נפצע בשל היותו יהודי, רק בגלל זה. בדיוק ברגע הזה, שאנחנו נמצאים במחנה שכל כולו מאחד אותנו בשל היותנו אחים יהודים בכל העולם, זה מעצים את התחושה של ערבות - של כל ישראל אחים, כל ישראל ערבים. זה מחזק אותנו במאבק שלנו על ארץ ישראל מול אויבינו, האחדות היא הכוח הגדול שלנו".
בפיגוע נפצעו גם שתי בנותיו של אלראי שהיו איתו ברכב - אביגיל (14) ורחל (9), שתועדה ב"ידיעות אחרונות" כתינוקת לאחר הלידה ברכב, בעת שקאפח היה בקורס נהגי אמבולנס. הוריה של אשתו תמר הם דב ורחל קול ז"ל, שנרצחו בפיגוע ירי ב-2005 בגוש קטיף.
מחקירת הפיגוע עלה כי רכב משפחת קאפח האט והיה בכיווונו לתקוע, כאשר רכב המחבלים הגיע ממולו - וממנו נפתחה אש. האב אלראי נפצע מהכדורים בחזה ושתי בנותיו נפצעו מרסיסים. לאחר סריקת הכוחות בשטח נמצאו תרמילי 5.56, והחשד הוא לפיכך שהירי בוצע מ-M-16. ככל הנראה נורו כחמש עד שבע יריות. בשטח נפתח חפ"ק, וגם מפקד האוגדה הגיע לזירה ופיקד על המרדף אחר המחבל.