חוקרי ימ"ר תל אביב פתחו ב-12 במאי בחקירה עם קבלת הדיווח על התקיפה החמורה, במהלכו נפגע הנהג באורח בינוני. בלשי הימ"ר ניתחו את התיעוד ובודדו תמונות חשודים במעורבות ובתקיפה, כאשר החקירה המשיכה כל העת והתמקדה בהליך זיהוי מקצועי של החשודים, לשם מעצרם לחקירה.
בשלב ראשון המשטרה חשפה את זהותם של ארבעה מעורבים, נגד שלושה מהם הוגש עד כה כתב אישום: נתנאל בנימין (25), להב אוחנינה (18) וקטין בן 16. כתב האישום מייחס להם, כל אחד לפי חלקו, מעשה טרור של ניסיון לרצח, מעשה טרור של חבלה בכוונה מחמירה, חבלה במזיד לרכב ממניע גזעני, גניבה ממניע גזעני, התפרעות שסופה נזק מתוך מניע גזעני, הסתה לטרור והסתה לגזענות.
ב-25 במאי, בעקבות תהליך הזיהוי של חומרי התיעוד, המשטרה עצרה את שמחון ובוטיאר בחשד שהיו מעורבים בלינץ'. אתמול הובאו השניים לבית משפט השלום בתל אביב, שם ביקשה היחידה החוקרת להאריך את מעצרם בעשרה ימים (26 מאי).
סנגוריהם של החשודים – עורכי הדין יוסי פריינטי, אליקה לוין וזוהר ברזילי – הכחישו את המיוחס למרשיהם. עו"ד לוין טענה כי מרשה נקלע בטעות לזירת האירוע.
השופטת כריסטינה חילו אסעד עיינה בחומרי החקירה, שמעה את טיעוני הצדדים וקבעה כי "על פי החשד, שני החשודים השתתפו באופן פעיל בתקיפה". בהמשך דבריה קבעה השופטת כי קיים חשד סביר ברמה המספיקה להארכת מעצר זו. בדבריה הוסיפה השופטת כי לבוטיאר אין עבר פלילי, והוא שיתף פעולה באופן מלא עם החקירה, בעוד ששמחון מסר גרסה שיש לבחון. מעצרם של שני החשודים הוארך עד 30 במאי.
