מיד לאחר הפיגוע, בוצע ע"י שב"כ וצה"ל, גל מעצרים באזור. במהלכו נעצרו פעילים מאזור רמאללה, אשר הודו בחקירתם בביצוע שורת פיגועים, לרבות רצח דני גונן ז"ל.
הנחקרים הודו בחקירתם בשב"כ כי קודם לביצוע פיגוע זה, ביצעו מספר פיגועי ירי לעבר כוחות הביטחון באזור מחנה הפליטים קלנדיה, וכי במסגרת ההכנות לפיגועים, תצפתו על אזור המעיין, במטרה לאתר ישראלים השוהים במקום. "במהלך החקירה נתפסו מספר אמצעי לחימה, לרבות הנשק בו נעשה שימוש בפיגועים" נמסר מהשב"כ.
הנשיא ריבלין בביקור אצל משפחתו של דני גונן ז"ל. צילום: מארק ניימן, לע"מ
ראש הממשלה בנימין נתניהו שיבח את פעולת השב״כ המהירה שהביאה ללכידתו של המחבל שרצח את דני גונן ז״ל.
נתניהו אמר: "ביום הרצח אמרתי שנתפוס את הרוצח הנתעב והשפל והשב״כ, צה״ל והמשטרה עשו זאת תוך זמן קצר. עכשיו כשברור שמדובר באיש הרשות הפלסטינית, מעניין אם הרשות הפלסטינית תגנה את הרצח, או שתמשיך בשתיקתה. מי שלא תוקף את הטרור סופו שהטרור יתקוף אותו".
האקדח ששימש את חברי החוליה בפיגוע בדולב. צילום: שב"כ
לקראת ביצוע הפיגוע הוא אסף מודיעין, והגיע למעיין מספר פעמים. כמו כן, במהלך שנת 2014 ביצע 6 פיגועי ירי נוספים, לרבות פיגוע ירי בא- ראם בנובמבר בו נפצע חייל" נמסר מהשב"כ.
עצור נוסף הוא אמג'ד עדואן, גם הוא תושב מחנה הפליטים קלנדיה, פעיל תנזים-פת"ח, כלוא ועצור לשעבר מספר פעמים על רקע סחר באמצעי לחימה, כמו כן, בעבר היה מעורב בתכנון פיגוע ירי ופיגוע מטען. על פי חקירת השב"כ עולה כי אמג'ד עדואן, חבר חוליה נוסף סיפק לאבו שאהין תחמושת, שימש תצפיתן במספר פיגועי ירי, אותם ביצע יחד עם אבו שאהין. כמו כן, השניים יצאו לבצע פיגוע דומה לזה שבוצע ב'עין בובין', אשר לבסוף לא בוצע.
לשלושה הצטרף לחוליה גם אשרף עמאר, אמותו מחנה הפליטים קלנדיה, פעיל במודיעין הצבאי של הרשות הפלסטינית. מהחקירה עולה כי הוא יצא עם אבו שאהין לבצע פיגוע דומה לזה שבוצע ב'עין בובין', אך לבסוף לא מומש.
בנוסף בידי השב"כ עוד שני פעילים שנעצרו אסאמה אסעד, פעיל תנזים-פת"ח ששוחרר במסגרת חלקה השני של עסקת שליט ומחמד עדואן, נעצר בחשד שהסתיר בביתו את האקדח ששימש את אבו שאהין לפיגועים. האקדח הוסגר במעצרו.