המשטרה זימנה את אם המשפחה שדיווחה שראתה את הרכב של המחבלים מאריאל שבוע לפני הפיגוע למסור עדות. אמש נחשף ב-ynet כי בני משפחה המתגוררת באזור בנימין ראו את הרכב נוסע נגד כיוון התנועה במהירות בכביש 5 לכיוון אריאל, שבוע לפני הפיגוע.
האם הייתה זאת שהתקשרה לדווח למוקד המשטרה, ולכן זומנה על ידי משטרת מחוז ש"י למסור עדות בתחנת אריאל. סיפרתי מה שקרה", אמרה האם. "התקשרו אליי והזמינו אותי למתן עדות בגלל השיחה שעשינו למשטרה שבוע קודם. לקחו את מספר הרכב וסיפרתי שבזמן שהתרחש הפיגוע באריאל הרגשתי שזה אותו רכב. כי הוא היה חשוד". גם גורמים במערכת הביטחון אמרו שהמקרה יתוחקר על ידי הגורמים הרלוונטיים.
"היינו בנתיב הנסיעה שבין תל אביב לאריאל. הייתי ברכב עם אשתי וילדיי, לפתע אני רואה רכב בצבע כחול שנוסע במקביל אליי נגד כיוון התנועה. כלומר הוא נסע לכיוון אריאל , כמוני, אך הוא היה על הנתיב הנגדי וסיכן את כלי הרכב שנסעו בנתיבים שלו. הוא נסע בערך על 100 קמ"ש ומאוד צמוד לבטונדה שמפרידה בין הנתיבים. התקשרתי למשטרה והודעתי להם על הרכב", סיפר אמש ש', אב המשפחה.
לאחר שרכבם של המחבלים אותר שרוף נדהם ש' לגלות כי מדובר באותו הרכב שראה שבוע לפני כן. "ראיתי את המספר מתוך כל הדיווחים באתרים ונדהמתי. אמרתי לאשתי תראי, זה בדיוק מספר הרכב. זה אותו רכב שנסע לפני שבוע ביום שישי נגד כיוון התנועה", הוא אמר. "לא התייחסו אלינו. לא שלחו ניידת אפילו לראות מה עם הרכב הזה. יכול להיות שהם ניסו לפגע במחסום שבוע קודם ולא הצליחו".
המאבטח שנרצח בפיגוע, ויאצ'סלב (דניאל) גולב (23) מבית שמש, גונן בגופו על בת זוגו ויקטוריה פליגלמן מהכדורים שירו המחבלים. הערב הוא הובא למנוחות בבית העלמין בעיר מגוריו. "היה לך לב כל כך גדול וכל כך טוב, נספר עליך לילדים ולנכדים ותהיה דוגמה בשבילם", ספד בן דודו ולדימיר. בני המשפחה התקשו להיפרד מיקירם, וכשהגופה הוטמנה נשמעו זעקות שבר ובכי. האב זאב ולדימיר אמר קדיש, האם נזנדה התייפחה על הקבר הטרי.
צה"ל וימ"מ עצרו אמש את שני המחבלים באזור אריאל בתום מצוד שנמשך כ-20 שעות, והעבירו אותם לחקירת שב"כ. כלי הנשק ששימשו אותם בפיגוע נתפסו גם הם. במהלך החיפושים אחריהם התפתחו הפרות סדר בכפר עזון, ומחבל שהשליך בלילה בקבוק תבערה לעבר חיילים נורה למוות על-ידי הכוחות. אחרי המעצרים התפתחו עימותים בין כוחות הביטחון לתושבים בכפר קראוות בני-חסן במחוז סלפית שבאזור אריאל, שם נלכדו השניים.
מבדיקה ראשונית של כוחות הביטחון עולה כי שני המחבלים, יחיא מרעי (19) ויוסף עאסי (20), לא נשלחו על-ידי ארגון טרור כלשהו - אך אחד מהם מזוהה עם חמאס. שניהם מנועי כניסה לישראל, ואחד מהם ריצה בעבר תקופת מאסר קצרה בכלא הישראלי. הם נעצרו בבתיהם, יחד עם כמה קרובי משפחה שחשודים בסיוע להם.