Theo Thiếu tướng Phan Anh Minh, sau khi nhận thông tin, Công an TPHCM đã chỉ đạo các đơn vị tổ chức khám nghiệm hiện trường đồng thời yêu cầu các đơn vị trên đường truy tìm một chiếc xe gắn máy mang biển số giả có mặt tại hiện trường, nghi là có liên quan đến vụ án.

Theo Thiếu tướng Phan Anh Minh, Ban giám đốc Công an TPHCM sau khi hội ý đã phân công các đơn vị truy xét theo 3 hướng, trong đó hướng rộng nhất trong vụ việc ném chất nổ vào trụ sở công an phường 12 Tân Bình là tất cả các tổ chức có âm mưu khủng bố mà công an đang trinh sát.

Đến tối 20.6, Phòng Kỹ thuật hình sự - Công an TP đã có kết luận sơ bộ đây là  vụ nổ sử dụng 2 trái nổ, thiết bị kích nổ từ xa, khối lượng vụ nổ khả năng là 200gram thuốc nổ TNT. Phòng này cũng nhận định thiết bị kích nổ từ sử dụng sóng vô tuyến đó có thể gây ra nổ sớm ngoài ý muốn của đối tượng.

Ngày 21.6, Công an Tân Bình khi truy ra các dấu vết đã nhận thấy trước đó, các đối tượng gây án đã lui tới khu vực đường Nguyễn Thái Bình để điều nghiên hiện trường trước khi ra tay.

Có một thông tin đáng chú ý là trên đường rút chạy, các đối tượng đi lòng vòng nhiều nơi, có dừng trước khu vực chợ Bà Chiểu và dừng trước Lăng Ông để thay quần áo và thay người lái xe.

Từ thông tin quý giá này và thông tin truy xét các đối tượng khủng bố, Công an TPHCM phát hiện có một nhóm kín thừa nhận gây ra vụ ném chất nổ này.

Xác định nhóm đối tượng này ở Đồng Nai, các hướng trinh sát cũng tập trung về đây. Trong ngày 21.6, Công an TP xác định đối tượng đi qua cầu Sài Gòn, qua trạm thu phí và đi về hướng Đồng Nai.

Đến ngày 22.6, công an câu nhử và bắt được 1 đối tượng trong nhóm kín ở KCN Bàu Xéo, tỉnh Đồng Nai. Đối tượng này thừa nhận có tham gia vụ khủng bố nói trên. Tuy nhiên, qua khai thác, trong thời gian vụ nổ xảy ra ở Công an phường 12 thì đối tượng này vẫn đang nhậu ở Đồng Nai, không trực tiếp gây án.

Cũng trong ngày 22.6, PC45 thu được thông tin quý giá khác là đã xác định 2 đối tượng gây án đi đến một địa điểm ở Công viên 30/4 thuộc khu vực cuối TP Biên Hòa. Hai đối tượng này sau khi gặp một số đối tượng khác tại địa điểm trên thì chạy vào một khu dân cư rồi mất dấu.

Ngay sau đó, Công an TPHCM đề nghị Công an Đồng Nai chi viện. Đến trưa ngày 24.6, PC45 và Công an Đồng Nai đã bắt giữ 1 đối tượng tên Nguyễn Tấn Thanh ở Long Khánh, đây là đối tượng gặp 2 đối tượng gây án, khi bắt có giữ thêm một số bạn bè của Thanh.

Đối tượng được đưa về TPHCM và rạng sáng ngày thứ hai tuần sau đó, Thanh khai cùng cha chế tạo quả nổ. Manh mối vụ án bắt đầu được sáng tỏ.