משעות הבוקר זרמו כוחות גדולים למסגד בוואדי ערה, שבו התקיימה דרשה שבועית. השב"כ קיבל מידע מודיעיני שלפיו המחבל מסתתר שם, וכי הדרשה אינה אלא כיסוי לנוכחותו. המשטרה עצרה במהלך הבוקר כמה חשודים, ולאחר חקירה הם הצביעו על מקומו של נשאת מלחם. בעת שמלחם הבחין כי לוחמי ימ"מ סוגרים על המבנה שבו שהה, הוא ירה לעברם באמצעות הנשק שברשותו, והוא נורה ונהרג. יש חשד סביר לכך שמלחם קיבל סיוע ממקומיים בהסתתרותו מכוחות הביטחון.
פריצת הדרך בחקירה התרחשה כאשר פריט שמלחם השאיר בשטח בוואדי ערה נמצא ונלקח למעבדה לזיהוי פלילי. שם מצאו את עקבות ה-DNA שלו, ובעקבות כך נשלחו גששים, וכך צומצם שטח החיפושים אחריו לאותו מבנה. כמו כן, אחד העצורים סיפר בחקירתו כי מלחם הכין מקום מסתור באחד המסגדים בוואדי ערה, בהנחה שכוחות הביטחון לא יבצעו מעצר תוך הסתערות על מקום קדוש. מלחם היה חמוש ברובה פלקון איטלקי.
כוחות הביטחון עקבו אחר מלחם גם באמצעים אלקטרוניים, שמהם התקבלו אינדיקציות אפשריות על מיקומו. אחת הנקודות הצביעה על אזור ואדי ערה, ושם כוחות הביטחון איתרו מבנה רעוע באחד משיפולי הכפר, אך מלחם לא היה שם. עם זאת, מלחם השאיר אחריו שם כמה שרידים שנלקחו כדגימות DNA, מה שאימת לכוחות הביטחון ולשב"כ את העובדה שאכן שהה שם. זו היתה האינדיקציה המשמעותית ביותר שעליה דיבר מפכ"ל המשטרה, רוני אלשיך, באמצע השבוע, שהובילה למיקוד החיפושים שהלכו והצטמצמו למקומות מסוימים בוואדי ערה.
ביממה האחרונה הגיע מידע על המסגד המסוים שבו נמצא מלחם, ולפנות בוקר הוקפצו כוחות רבים לוואדי ערה תוך סגירת צירים רבים בשרון, במטרה לסגור נתיב הימלטות אם אכן יצליח לחמוק ממארב. בשעה שקדמה ללכידתו הוחלט לבצע כניסה של כוחות ימ"מ לתוך המסגד מתוך הנחה שנשאת חמוש בנשק אוטומטי וייתכן שאף בנשק נוסף שסופק לו. במקום התפתח קרב יריות, ובסופו הוא נורה על ידי הכוחות ונהרג. אין נפגעים בקרב הכוחות.
בן דודו של המחבל נורה למוות על ידי שוטרים לפני עשר שנים במהלך חיפוש אחר נשק בביתו. הוא ישב בכלא לאחר שניסה לחטוף נשק של חייל. קרובי משפחתו טוענים כי הוא מעורער בנפשו.
כוחות ביטחון רבים הגיעו למקום, ביניהם כוח ימ"מ, והחלו בסריקות נרחבות באזור הירי וברחובות הסמוכים במצוד אחר היורה, כולל כניסה לבתים בהם סברו הכוחות כי החשוד בירי מסתתר. בערוץ 10 דווח כי בתיקו של היורה, שהושאר בבית הטבע, נמצא ספר קוראן.
ראש הממשלה, בנימין נתניהו, מסר את ברכותיו למשטרה, לשב״כ ולכוחות הימ"מ, ש"פעלו ללא לאות, בשיטתיות ובמקצועיות עד לאיתור ונטרול המחבל", כך מסר.
השר לביטחון פנים, גלעד ארדן, מסר כי "אני מודה לכוחות המשטרה, לוחמי הימ״מ, מג״ב, שב״כ, צה״ל וכל מי שלקח חלק במאמץ הגדול לאתר את המחבל הנפשע שביצע את הפיגוע בשבוע שעבר בדיזנגוף. מאז הפיגוע כוחותינו עבדו יומם וליל והפכו אבן אחר אבן בכל מקום על מנת לאתר את המחבל, ואני שמח שהיום המאמץ הגדול נשא פרי. נמשיך להילחם בטרור בכל העוצמה".
התרעות פיקוד העורף