החקירה הוטלה על היחידה ללחימה בפשיעה במרחב ציון, ובשלב מסוים שולב בה גם שירות הביטחון הכללי. במשך תקופה ארוכה לא היה לחוקרים חשוד ממוקד, בין היתר משום שלא נמצא קשר מוקדם בין מי שהחדיר את החומרים לבין הפעוטות שנפגעו. בסוף אוגוסט חלה פריצת דרך בחקירה ושמלא נעצר בביתו. ב־2 בספטמבר התיר בית המשפט לפרסם את שמו. בדיון בהארכת מעצרו טענה המשטרה כי שמלא חשוד שפעל במכוון בניסיון להרעיל תינוקות. עוד נחשף כי במחשבו נתפסו סרטונים שנבדקו במסגרת החקירה.
במהלך החקירה נבדקו גם כיוונים הנוגעים למניע למעשה, לרבות אפשרות למניע לאומני, אולם לפי דיווח מאוחר יותר המשטרה שללה מניע לאומני וקשר איראני. במסגרת החקירה עברו החוקרים על מאות שעות של צילומי אבטחה ממוקדים שונים והפעילו אמצעים טכנולוגיים. לאחר זיהויו של שמלא התחקו אחריו החוקרים והבלשים באופן סמוי, לרבות אחר המקומות שבהם שהה ושגרת יומו, עד למעצרו.
בידי המשטרה תיעוד שבו נראה שמלא בסופרמרקט זמן קצר לפני המועד שבו, על פי החשד, הניח את המחיות שבהן הוחדרו חומרי ההרדמה. עם השלמת החקירה וביסוס התשתית הראייתית החליטה הפרקליטות להגיש נגדו הצהרת תובע, לקראת כתב אישום.
בהמשך שחזרה את מצבן של בנותיה לאחר צריכת המחית: "הן הרגישו מאוד לא טוב, היו מעורפלות הכרה, סטטיות, לא מגיבות לי. הגדולה לא יכלה ללכת שבוע, הן לא הצליחו לפתוח את העיניים, הן היו ממש במצב לא טוב".
ביטון סיפרה כי בנותיה התאוששו, אך לדבריה המקרה שינה את ההתנהלות שלה בבית. "עכשיו הן בסדר גמור, ברוך השם. לקח להן בערך שבוע-עשרה ימים לחזור לעצמן, ואחרי זה זה היה בסדר. כל דבר לפני שאני מביאה להן אני טועמת. אני לא קונה יותר את המוצר הזה ומשהו שדומה לו. אם קרה דבר כזה, אי אפשר לדעת מתי ואיך זה יקרה. לכן אני ממש נמנעת מזה".
התרעות פיקוד העורף