פעילות מאומצת ושיתוף פעולה של כוחות הביטחון לצד ממצאים, שאותרו במקום ע"י צוות מז"פ, ועירנות של עדת ראיה - הובילו למעצרם של מבצעי הפיגוע, תושבי עורתא, פעילי חז"ע וטרור עממי, והם:
מג'די גלאל עזת קואריק, יליד 1993.
אחמד עצאם עטא עבדאת, יליד 1992.
בחקירתם, בשירות הביטחון הכללי, הודו השניים בביצוע הפיגוע, כאשר קואריק היה יוזם הפיגוע, ומי שנהג ברכב, ואילו עבדאת השליך את בקבוק התבערה, אשר הצית את השריפה בתחנה. לטענתם, ביצעו את הפיגוע כנקמה על מותו של התינוק, עלי דואבשה, שנהרג כתוצאה מהצתת ביתו בכפר דומא (בסוף חודש יולי).
תיק החקירה בעניינם של השניים הועבר לפרקליטות הצבאית באיו"ש לשם הגשת כתבי אישום כנגדם.