俄方在案发后迅速采取行动，逮捕了11名嫌疑人，均为外国籍。俄联邦安全局称，犯罪嫌疑人在实施恐袭后试图乘车逃往俄乌边境并入境乌克兰，最终在俄布良斯克州被捕。在案件发生后约18个小时，普京发表电视讲话说，这是一场精心策划、血腥而野蛮的恐怖袭击，是一场有准备、有组织的针对手无寸铁平民的大规模屠杀。他表示，俄罗斯全国都采取了特别措施，以防止这场血腥屠杀的幕后黑手再犯下新的罪行。

据塔斯社报道，当地时间23日晚，4名直接实施袭击的犯罪嫌疑人已被押送至莫斯科，并在俄联邦侦查委员会接受审讯。同日，俄社交媒体上开始流传恐怖分子第一视角拍摄的袭击现场视频，据视频片头信息显示，该视频由IS的宣传机构制作发布。这被西方媒体认为是IS实施该袭击的又一力证。

但相较于IS这个自己主动承认的“执行者”，俄罗斯方面更在意恐怖袭击事件背后的“组织者”和“策划者”。普京在23日的讲话中表示，无论恐怖分子以及背后的“指使者”是谁，恐袭事件的所有实施者、组织者和策划者都将受到公正的、应有的惩罚。

俄媒从各方面提出了疑点。今日俄罗斯电视台称，在公开的审讯信息中，没有嫌疑人明确宣誓效忠任何极端主义团体，其中一人称自己在网上被人雇用，对方下达了“无差别射杀音乐厅内所有人”的任务，并提供武器和资金50万卢布（约合4万元人民币）。报道引述分析人士的话称，从恐怖分子在逃跑中犯下的“错误”看，他们是“消耗品”，并没有接受过专业训练。俄罗斯《消息报》称，熟悉案件调查情况的消息人士表示，从恐怖分子在被捕现场接受审讯时的表现看，这种普通人无法独立策划如此级别的恐怖袭击。此次袭击应是由多个团伙分阶段准备实施的，一个团伙负责从乌克兰境内或俄乌冲突地区运送武器，一个团伙负责藏匿并向恐怖分子提供武器，一个团伙负责提供车辆、住宿和经费。消息人士称，调查细节表明，不仅是乌克兰，西方情报部门也可能参与制造了这场悲剧。