事件発生直後、FBI（連邦捜査局）は数千台の監視カメラ映像や市民から提供された写真データを徹底的に解析しました。事件からわずか3日後の4月18日夕方、黒いキャップの男（兄）と白いキャップを後ろ向きにかぶった男（弟）の映像を公開し、全米に情報提供を呼びかけました。
身元の特定を察知した兄弟は、さらなるテロを計画してニューヨークへ向かうべく凶行を重ねました。マサチューセッツ工科大学（MIT）のキャンパス内で警備中だった警察官ショーン・コリアーさんを射殺して拳銃を奪おうとし、その後一般市民の車をカージャック。しかし、人質となった中国人男性が給油の隙をついて脱出し通報したことで、警察はGPS信号を頼りに兄弟をウォータータウンの住宅街へと追い詰めました。
深夜の住宅街で繰り広げられた激しい銃撃戦では、手榴弾や手製爆弾が投げ交わされ、兄タメルランは警官隊に撃たれて重傷を負い、弟ジョハルが運転する逃走車両に轢かれる形で死亡しました。その後、当局はボストン市および周辺都市に対して前代未聞の「シェルター・イン・プレイス（屋内退避命令）」を発令し、約100万人の都市機能を完全に封鎖。徹底的な捜索の末、住宅の裏庭に置かれていたボート内に血を流して潜伏していたジョハルを発見、拘束しました。この緊迫の102時間を描いた映画『パトリオット・デイ』（2016年公開）は、捜査関係者と市民の結束をリアルに描き、世界中で大きな話題を呼びました。
