В Бостоне и окрестностях отменили все мероприятия, закрыли университеты, перекрыли дороги, прекратил работу общественный транспорт. Для того чтобы упростить задачу спецслужбам, над городом были прекращены все полеты. Губернатор штата Массачусетс Девал Патрик в телевизионном обращении предупредил, чтобы жители города оставались в своих домах. В операции были задействованы сотни человек: офицеры полиции города и штата, спецслужбы, включая отряды К-9, секретной службы США, а также отряды штурмовых групп и специалисты по взрывчатым веществам.
В четверг вечером в полицию поступило сообщение о том, что на одной из улиц кампуса Кембриджа двое вооруженных мужчин угнали автомобиль вместе с владельцем. Через полчаса его выпустили на автозаправке. На основе показаний владельца машины полиция пришла к выводу, что угонщиками были братья Царнаевы. Полиции удалось определить местоположение автомобиля, и за братьями была установлена слежка. Когда автомобиль Царнаевых оказался в Уотертауне, между полицейскими и злоумышленниками завязалась перестрелка, в результате которой был убит Тамерлан Царнаев. При этом спецслужбы продолжали поиски второго подозреваемого, Джохара Царнаева.
В 13.00 местные телеканалы показали обращение дяди братьев Руслана Царнаева , который принес соболезнования жертвам взрывов на марафоне и рассказал, что уже 7 лет не общается с племянниками. Он порекомендовал им сдаться как можно быстрее.
С 14.00 вооруженная полиция начала тотальные обыски во всех домах в оцепленном районе Уотертауна. Туда же были направлены 20 бронированных машин. При этом также велось наблюдение с двух вертолетов, которые постоянно кружили над оцепленным участком.
Спустя пару часов владелец одного из домов сообщил полиции, что обнаружил следы крови на своем заднем дворе. Спецподразделения американской полиции тщательно подготовились к штурму дома, где предположительно находился Джохар Царнаев. К зданию стянули спецназ, на соседних домах расположили снайперов. Однако обнаружить Царнаева не удалось.
Около 19.00 полиция с помощью камер, закрепленных на вертолете, обнаружила второго подозреваемого. Он скрывался в лодке за одним из жилых домов, неподалеку от места, где был убит его брат. Во время задержания он почти не сопротивлялся, поскольку был серьезно ранен в шею и в ногу в предыдущей перестрелке. Полиция доставила его в массачусетскую больницу. После этого комиссар полиции Бостона торжественно объявил новость жителям: "Террор закончился, справедливость восторжествовала. Подозреваемый взят под стражу!"
В 22.30 после официального заявления полиции о задержании подозреваемых к центральной площади Уотертауна начали собираться горожане. Они размахивали американскими флагами, поздравляли друг друга и выкрикивали: "США! США! США!", "Мы сделали это!" и "Боже, благослови Америку!"