שני המפגעים, מחמד מחאמרה וחאלד מחאמרה, הם ילידי 95', תושבי יאטה שבאזור יתיר. מחמד מחאמרה עלה כתומך דאע"ש שלמד בירדן וחזר לביתו ביאטה בינואר 2016. על פי ממצאי החקירה, השניים החליטו לבצע את הפיגוע בהשראת ארגון דאע"ש, אך מבלי שגוייסו רשמית לארגון ומבלי לקבל סיוע והדרכה כלשהם.
במסגרת החקירה נעצר יונס עאיש מוסא זין ' יליד 94, תושב יטא, אשר הודה בחקירתו כמי שתכנן לצאת לפיגוע יחד עם שני המפגעים אולם בסופו של דבר לא יצא מטעמים טכניים. כמו כן, הודה כי סייע למפגעים באספקת האמל"ח ואף הסגיר רובה מסוג קרלו בחקירתו.
בחקירתם בשירות הביטחון הכללי עלה כי המפגעים החלו בתכנון הפיגוע כבר בינואר 2016. על פי התכנית המקורית, השניים תכננו לבצע פיגוע ירי בקרון נוסעים של רכבת ישראל. עוד עלה בחקירה, כי הבחירה במתחם שרונה כיעד לפיגוע היתה אקראית ונעשתה ביום הפיגוע.
שני המפגעים נכנסו לישראל דרך פרצה בקו התפר המשמשת להברחת שוהים בלתי חוקיים באזור מצדות יהודה בדרום הר חברון. את השניים הסיע סלים מוגנם, בן 23 תושב יאטה, שנעצר אף הוא בגין הסעתם. לאחר כניסתם לישראל הגיעו השניים לשגב שלום, שם שהו מספר שעות בדירה ששימשה שוהים בלתי חוקיים, והתארגנו לקראת יציאתם לתל אביב.
לצורך ביצוע הפיגוע השתמשו השניים ברובים מאולתרים, שיוצרו במחרטות מקומיות ונרכשו מיצרני נשק במקום מגוריהם, יאטה. מעצרם של החשודים בביצוע הפיגוע החמור בת"א ובסיוע למפגעים ממחיש את הסיכון הרב הנשקף מיוזמות טרור מקומיות, המנצלות את הנגישות בשטח לכלי נשק רבים, תקניים ומאולתרים. כמו כן, חקירה זו ממחישה את הצורך בהגברת האכיפה אל מול נהגים המסיעים שוהים בלתי חוקיים לתוך תחומי ישראל, למרות הסיכון הביטחוני הכרוך בכך.
במסגרת חקירת הפיגוע בשב"כ נעצרו לחקירה 10 תושבי הכפר יאטה, בחשד שהיו מעורבים בייצור ובסחר באמל"ח, וכן בתאום העברת המפגעים לישראל.