Menurut Ansyaad Mbai, serangan ini memiliki ciri khas berupa serangan jaringan teroris Jamaah Islamiyah sebagai organisasi yang berhubungan dengan Al-Qaeda dan telah mengebom JW Marriott Hotel Jakarta pada 2003, Kedutaan Besar Australia di Jakarta pada 2004, Bom Bali 2002, dan pengeboman di Jakarta pada 2009.
Kelompok teroris ini memiliki ciri khas untuk melakukan serangan secara beruntun dan bertepatan waktu seperti pada peristiwa 11 September 2001. Pada 10 November 2005 nama–nama pelaku diumumkan oleh Polri yaitu:
Muhammad Salik Firdaus – Asal Cikijing, Majalengka, Jawa Barat, pelaku peledakan Kafe Nyoman. Misno atau Wisnu, 30 tahun adalah pelaku pengeboman Kafe Menega dari Desa Ujungmanik, Kecamatan Kawunganten, Cilacap, Jawa Tengah.
Pada 19 November 2005 kembali diumumkan seorang pelaku bernama Ayib Hidayat, 25 tahun dari Kampung Pamarikan, Ciamis, Jawa Barat sebagai pelaku bom di restoran R.AJA’s
Baca Juga:Wisata Bali: Ilmu Leak Menyandang Citra Negatif, Sejatinya Bagian dari Dasa Aksara
Dalam pengusutan itu juga ditangkap salah seorang tersangka anggota komplotan teroris yaitu Mohammad Cholili. Ia dijatuhi hukuman 18 tahun penjara pada 2006 karena sudah membantu Noordin M.Top dan Dr. Azahari untuk merakit bom yang meledak di Bali 2005.
Cholili dinyatakan bebas bersyarat pada Rabu 6 Agustus 2014 melalui remisi karena berkelakuan baik dan tidak pernah melanggar aturan di penjara.
Pembebasannya setelah menjalani separuh masa tahanan sudah mendapatkan rekomendasi dari Detasemen 88 dan Badan Nasional Penanggulangan Teroris.
Aktivitasnya akan terus dipantau dan tidak dapat keluar negeri tanpa persetujuan Kementerian Hukum dan HAM. Jika ada tindakan kriminal yang dilakukan, ia akan dikembalikan ke penjara.
Presiden Susilo Bambang Yudhoyono melalui konferensi pers mengemukakan bahwa peringatan akan serangan terorisme di Indonesia telah didapatkan Juli 2005, tetapi ada kemungkinan aparat menjadi lalai karena pada saat itu juga terjadi kenaikan harga BBM yang membutuhkan pengawasan lebih.
Baca Juga:Wisata Bali: Tradisi "Mesunat", Perpaduan Budaya Lokal dan Bugis di Desa Pengambengan
Pada 2 Oktober 2005, dalam konferensi pers berikutnya untuk membahas sejarah bom Bali pada 2005, Inspektur Jenderal Made Pangku Pastika menunjukkan video mengenai salah satu pengebom ketika masuk ke Restoran Raja di Kuta dengan membawa ransel dan meledakkannya.
Kemudian 9 November 2005, polisi menyergap sebuah vila di Kota Batu, Malang. Penyergapan itu menewaskan Dr. Azahari, salah satu buronan asal Malaysia dan dianggap sebagai pembuat bom dalam dua kali peristiwa pengeboman di Bali.
Pada hari yang sama di Semarang, dilakukan juga penyergapan dan perburuan buronan lainnya yaitu Noordin M. Top.
Polisi menemukan sejumlah barang bukti dari para pelaku dalam sejarah bom Bali 2005 berupa rekaman kesaksian ketiga pelaku bom bunuh diri, dua KTP milik dua dari pelaku pengeboman.
Dalam rekaman video salah seorang pelaku memberi pernyataan bahwa perbuatan yang dilakukan akan membuat mereka masuk ke surga. Rekaman ini kemudian digunakan untuk mencocokkan wajah pelaku dengan kepala yang ditemukan di lokasi pengeboman.
Pada 16 November kaset ini kemudian diputarkan kepada 12 kiai di Jawa Timur oleh Wapres Jusuf Kalla, agar para kiai dapat meneruskan kepada masyarakat mengenai ajaran Islam yang dipahami secara salah oleh para pengebom.
