醫護人員在爆炸案現場緊急救助一名女性傷者。

17日，美國警方表示，已經從監控視頻中獲得了嫌疑人的錄像和照片。有媒體報道說，一名涉案人員已經被捕，不過美國官方對此予以否認。
 
18日，奧巴馬在波士頓圣十字大教堂出席悼念儀式，追思馬拉松爆炸案中的死難者。他重申，一定要將案件追查到底，直至兇手伏法。
 
同一天，美國聯邦調查局公布兩名嫌疑人的照片和視頻，呼吁民眾幫忙搜捕。后經認定，嫌疑人是一對兄弟，分別為26歲的塔梅爾蘭·察爾納耶夫和19歲的焦哈爾·察爾納耶夫。
 
當晚，在馬薩諸塞州劍橋市，一名警察在麻省理工學院身中數槍死亡。隨后，警方展開大規模搜捕行動。兩名嫌疑人劫持一輛汽車向附近的沃特敦鎮逃逸，半個小時后，車主在一處加油站被釋放。警方一路緊追，途中和嫌疑人發生交火。塔梅爾蘭在交火中受傷，被警方逮捕，但因傷勢過重不治死亡。他的弟弟焦哈爾則不知所蹤。