Śledztwo Prokuratura obwodu charkowskiego wszczęła śledztwo w sprawie wybuchu kilka godzin po ataku. Sekretarz Rady Bezpieczeństwa Narodowego i Obrony Ukrainy Ołeksandr Turczynow ogłosił rozpoczęcie w mieście operacji antyterrorystycznej. Według doradcy szefa SBU Markijana Łubkiwskiego zatrzymano czterech podejrzanych, którzy należeli do podziemnej grupy terrorystycznej „Charkowscy partyzanci”, szkolonej w rosyjskim Biełgorodzie. Zatrzymanym odebrano posiadany przez nich miotacz ognia RPO Trzmiel. Według SBU terroryści przygotowywali się do przeprowadzenia przy pomocy tej broni 22 lutego kolejnych aktów terrorystycznych, w szczególności ataków na kluby i centra handlowe. 19 lutego, na trzy dni przed zamachem, ukraińskim funkcjonariuszom udało się zlokalizować i rozbroić bombę podobną do użytej w ataku na marsz jedności.