พยานเล่าว่า ผู้ต้องสงสัยเป็นชายที่ทิ้งเป้าไว้ในที่เกิดเหตุ โดยมีภาพยืนยันจากกล้องวงจรปิดในบริเวณนั้น[ต้องการอ้างอิง] ภาพดังกล่าวยังมีการเผยแผร่ในต่างประเทศด้วย เป็นภาพชายมีลักษณะตัวเตี้ยใส่เสื้อเชิ้ตสีเหลืองและทิ้งกระเป๋าเป๋สีดำลง ขณะที่ผู้ต้องสงสัยนั่งบนม้านั่งและเพียง 3-4 วินาทีต่อมาผู้ต้องสงสัยก็ลุกขึ้น และทิ้งเป้ไว้ตรงม้านั่งและเดินจากไปพร้อมทั้งมองโทรศัพท์ของเขาเอง[25] โดยผู้ต้องสงสัยเดินทางโดยตุ๊กตุ๊กและจอดบริเวณหัวลำโพง[26]

ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติกล่าวการโจมตีครั้งนี้เตรียมผ่านอินเทอร์เน็ตและวาดภาพสเก็ตซ์ผู้ต้องสงสัย ตำรวจยังว่ามีผู้ต้องสงสัยอีกสองคนในกล้องวงจรปิดดังกล่าว[25] รัฐบาลไทยกล่าวว่า มั่นใจว่าไม่เป็นการโจมตีของกลุ่มก่อการร้ายข้ามชาติ[27] ตำรวจกล่าวว่าเหตุการณ์นี้มีผู้มีส่วนร่วมอย่างน้อย 10 คน[28] คาดว่าชาวเคิร์ดร่วมกับคนไทยเป็นผู้ก่อเหตุ[29]

ต่อมา คนขับแท็กซี่ผู้หนึ่งยืนยันว่าเขารับผู้ต้องสงสัยขึ้นรถ[30] "อย่างไรก็ดีผู้ต้องสงสัยมีท่าที่จะไม่มีอาการแสดงท่าทีรีบเร่ง แต่ดูจะสงบเงียบ เหมือนลูกค้าทั่วไป และผู้ต้องสงสัยก็ไม่ใช่คนไทย โดยผู้ต้องสงสัยพูดภาษาที่ไม่ชัดเจนที่ระบุไม่ได้ว่าเป็นภาษาอะไรตลอดเวลาบนรถแท็กซี่"[31][32]

รุ่งเช้าของวันที่ 18 สิงหาคม ตำรวจสัมภาษณ์วินมอเตอร์ไซค์และคนขับแท็กซี่ที่ผ่านละแวกนั้น ตำรวจได้ส่งรูปผู้ต้องสงสัยจากกล้องวงจรปิด "เมื่อตำรวจส่งรูปมาให้ผม ผมเชื่อว่าเป็นคนที่รับส่งซึ่งเป็นคนเดียวกับผู้ต้องสงสัยที่ตำรวจกำลังตามหา" นิคม ปันตุลา วินรถจักรยานยนต์รับจ้างสาทร กล่าว พยานสำคัญกล่าวว่า "เขาวิ่งมาอย่างเร่งรีบ โดยพูดว่า "เร็ว ๆ" ผมกำลังขับ 80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และเขายังเร่งให้ขับเร็วขึ้นอีก ระหว่างทาง เขาก้มดูโทรศัพท์ตลอดเวลา และคุยโทรศัพท์เป็นภาษาอังกฤษ แม้ว่าผมไม่เข้าใจที่เขาพูด ชายคนนี้ขอตลอดให้พาไปโรงแรมใกล้กับโรงพยาบาลอโศกใจกลางกรุงเทพมหานคร"[33]

ตำรวจจับผู้ต้องสงสัยได้เมื่อวันที่ 29 สิงหาคม ที่พูลอนันต์อพาร์ทเมนท์ เขตหนองจอก ทราบชื่อคือ อาเดม คาราดัก หรือบิลาเติร์ก มูฮัมหมัด[34] แต่ให้การปฏิเสธมาโดยตลอด ต่อมาวันที่ 7 กันยายน ทหารได้จับกุมผู้ต้องหาอีกคน ทราบชื่อคือไมไรลี ยูซุฟู เบื้องต้นให้การรับสารภาพ ล่าสุดอาเดมให้การรับสารภาพแต่ตำรวจยังไม่ปักใจเชื่อคำสารภาพดังกล่าว[35] จนเมื่อได้หลักฐานชี้ชัดจากกล้องวงจรปิดจึงสามารถยืนยันได้[36][37][38] จากนั้นในวันที่ 26 กันยายน ตำรวจพาทั้งคู่ไปทำแผนประกอบคำรับสารภาพ[39] นำไปสู่การแถลงปิดคดีเมื่อวันที่ 28 กันยายน[40]

ในวันรุ่งขึ้น ตำรวจได้ขอศาลอนุมัติหมายจับอ๊อด พยุงวงศ์ หรือยงยุทธ พบแก้ว ที่มีเบาะแสว่าจะมีความเกี่ยวข้องกับเหตุระเบิดครั้งนี้ และทราบว่าเขาเคยเกี่ยวข้องกับเหตุระเบิดที่สมานเมตตาแมนชั่น อำเภอบางบัวทอง จังหวัดนนทบุรี ในปี พ.ศ. 2553 และเหตุระเบิดที่ซอยราษฎร์อุทิศ เขตมีนบุรี กรุงเทพมหานคร เมื่อวันที่ 29 มีนาคม พ.ศ. 2557 ซึ่งทั้งสองเหตุการณ์อยู่ในช่วงวิกฤตการณ์ทางการเมือง (พ.ศ. 2548 - 2553 และ พ.ศ. 2556 - 2557) ตำรวจจึงยังไม่ตัดประเด็นทางการเมืองทิ้ง[41] ผู้ก่อเหตุที่ถูกออกหมายจับทั้งหมดมีความเชื่อมโยงกันทั้ง 2 คดี โดยมีผู้ต้องหา 17 คน มีคนไทยร่วมขบวนการ 2 คน คือ วรรณา สวนสันต์ กับยงยุทธ พบแก้ว (อ๊อด พยุงวงศ์) และจนถึงตอนนี้สามารถจับกุมผู้ต้องหาได้เพียง 2 ราย คือบีลาเติร์ก มูฮัมหมัด และไมไรลี ยูซูฟู ศาลทหารพิจารณาคดีนี้[42] ต่อมา นาง วรรณา สวนสันต์ ถูกจับ ที่ท่าอากาศยานสุวรรณภูมิ วันที่ 22 พฤศจิกายน พ.ศ. 2560[43]