สำนักงานสอบสวนกลางแห่งสหรัฐอเมริการ่วมกับสำนักงานแอลกอฮอล์ บุหรี่ อาวุธปืนและวัตถุระเบิด หน่วยสืบราชการลับกลางแห่งสหรัฐอเมริกา และ ศูนย์ต่อต้านการก่อการร้ายแห่งชาติทำการสืบสวนเหตุการณ์ระเบิดในครั้งนี้ โดยถือว่าเหตุการณ์นี้เป็นการก่อการร้าย เบื้องต้นไม่มีข่าวกรองใดๆ ว่าการก่อการร้ายเช่นนี้จะเกิดขึ้น ปีเตอร์ คิง ซึ่งเป็นหนึ่งในคณะกรรมาธิการข่าวกรองสภาผู้แทนราษฎร บอกว่า "ผมได้รับรายงานสรุปลับสุดยอดว่าด้วยระดับภัยคุกคามต่อสหรัฐฯ เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว ไม่มีหลักฐานว่าจะเกิดเหตุการณ์เช่นนี้แม้แต่นิดเดียว"

ผู้ต้องสงสัย

ในการแถลงข่าวเมื่อวันที่ 18 เมษายน สำนักงานสอบสวนกลางแห่งสหรัฐอเมริกาปล่อยภาพนิ่งและภาพเคลื่อนไหวของผู้ต้องสงสัยสองคน พร้อมทั้งร้องขอให้มหาชนช่วยตามหาและระบุตัวตน โดยสำนักงานสอบสวนกลางแห่งสหรัฐอเมริกาบอกว่า หนึ่งในผู้ต้องสงสัยทั้งสองปรากฏเห็นว่าทำการวางกระเป๋าสะพายลง ไม่กี่นาทีก่อนการระเบิดลูกที่สอง ภายหลังเจ้าหน้าที่ได้ระบุตัวว่าผู้ต้องสงสัยทั้งสองคือพี่น้องชื่อ Tamerlan Tsarnaev (รัสเซีย: Тамерлан Царнаев) และ Dzhokhar Tsarnaev (รัสเซีย: Джохар Царнаев) ซึ่งเป็นชาวเชเชนบริเวณเทือกเขาคอเคซัสที่อพยพเข้ามาในสหรัฐอเมริการาวปี 2543 หรือ 2544