Pada 18 April, polisi mengeluarkan skesta dua pelaku yang diidentifikasi sebagai kakak beradik, Tamerlan dan Dzhokhar Tsarnaev. Setelah foto keduanya tersebut, kakak beradik tersebut mencoba kabur dari wilayah Watertown, Amerika Serikat dengan cara membajak mobil milik warga sipil. Aksi mereka tercium pihak kepolisian yang langsung melakukan pengejaran besar-besaran terhadap mereka berdua.

Polisi berhasil melumpuhkan Tamerlan dengan beberapa kali tembakan. Nyawanya tak terselamatkan usai dibawa ke RS Beth Israel di Boston. Meski demikian, Dzhokhar tetap menjadi buron. Seribu lebih polisi dikerahkan untuk menangkapnya. Dzokhar kemudian ditangkap ketika bersembunyi dalam sebuah perahu milik warga di kawasan Watertown. 

Dalam sidang yang berlangsung dua tahun kemudian, Dzhokhar divonis mati oleh pengadilan di Amerika Serikat. Ia dianggap bersalah dalam keterlibatannya dengan terorisme, plus menggunakan senjata perusak massal dan berbahaya untuk menghilangkan nyawa seseorang.