เวลา 19.00 น. ของวันที่ 17 ส.ค.2558 เกิดเสียงระเบิดดังขึ้นท่ามกลางความโกลาหลของผู้คน เจ้าหน้าที่มูลนิธิ ตำรวจ และทหาร มุ่งหน้าเข้าไปตรวจสอบจุดเกิดเหตุทันทีและกันคนที่อยู่บริเวณโดยรอบออกจากที่เกิดเหตุ ซึ่งแรงระเบิดทำให้เกิดความเสียหายเป็นรัศมีกว่า 300 เมตร มีรายงานผู้ได้รับบาดเจ็บนับร้อยคน และมีผู้เสียชีวิตในที่เกิดเหตุและที่โรงพยาบาล รวม 20 คน โดยตำรวจกันพื้นที่เกิดเหตุ ปิดการจราจรโดยรอบและตรวจหาพยานหลักฐานนานกว่า 17 ชั่วโมง
พล.ต.อ.สมยศ พุ่มพันธุ์ม่วง ผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติในขณะนั้น เปิดเผยในเบื้องต้นว่า ระเบิดที่พบเป็นระเบิดแสวงเครื่องที่ใช้ท่อแป๊ปเป็นส่วนประกอบ หรือไปป์บอม ซึ่งผู้ก่อเหตุมุ่งชีวิตและทรัพย์สิน
ความตื่นตระหนกจากระเบิดลูกแรกยังไม่ทันหาย 24 ชั่งโมงถัดมา ระเบิดลูกที่สองก็เกิดขึ้นที่ท่าน้ำสาทร ใต้สะพานสมเด็จพระเจ้าตากสิน แต่ไม่มีผู้ได้รับบาดเจ็บ เจ้าหน้าที่ประดาน้ำต้องปิดกั้นลำคลองเพื่อสูบน้ำออกและค้นหาสะเก็ดระเบิด จนพบส่วนประกอบที่เป็นท่อแป๊ป ซึ่งมีลักษณะเดียวกันกับเหตุระเบิดที่ศาลท้าวมหาพรหม ตำรวจจึงสันนิษฐานว่า ระเบิดทั้ง 2 ครั้งนี้มีความเชื่อมโยงกัน
การตรวจสอบกล้องวงปิดพบชายสวมเสื้อฟ้าต้องสงสัย ถือถุงพลาสติกมายืนบนสะพานท่าน้ำสาทร ก่อนจะวางถุงและใช้เท้าเขี่ยลงน้ำ ซึ่งภาพนี้บันทึกได้ในวันเดียวกับเหตุระเบิดศาลท้าวมหาพรหม แต่คาดว่าระเบิดมีความผิดพลาด จึงเกิดเหตุขึ้นอีกวัน
หลักฐานจากกล้องวงจรปิดคือแนวทางการสืบสวนเหตุการณ์ระเบิดศาลท้าวมหาพรหม โดยพบชายต้องสงสัยสวมเสื้อสีเหลือง ใส่หมวกแก๊ปปิดบังใบหน้า ผมยาว ใส่แว่นสายตา สะพายเป้สีดำ เดินไปที่เก้าอี้ที่อยู่ในศาลท้าวมหาพรหม และได้ปลดเป้ออกจากหลังแล้วนำมาวางใว้ใต้เก้าอี้ ซึ่งเขาได้เดินออกไปก่อนเกิดเหตุระเบิดเพียงไม่นาน แรงระเบิดครั้งนี้สร้างความเสียหายเป็นวงกว้าง การเสาะหาพยานหลักฐานนอกจากจะตรวจสอบภาพจากกล้องวงจรปิดแล้ว คือการตรวจสอบวัตถุประกอบระเบิด ซึ่งที่เกิดเหตุพบลูกปรายจำนวนมาก ซึ่งลูกปรายชนิดนี้เป็นวัตถุประกอบระเบิดที่มีความร้ายแรงและสร้างความเสียหายได้เป็นวงกว้าง ความเสียหายที่เห็นได้ชัดอีกจุดหนึ่งคือกระจกบนชั้น 2 และชั้น 3 ของโรงแรมแกรนด์ ไฮแอท เอราวัณ ที่แตกเสียหายจากแรงระเบิด รวมทั้งกระจกที่อยู่ในอาคารใกล้เคียงและบนสกายวอคของรถไฟฟ้าบีทีเอส
หลังจากเกิดเหตุ 12 วัน ตำรวจได้เข้าตรวจค้นอพาร์ทเม้นท์แห่งหนึ่งย่านหนองจอก พบตัวนายเอเดม คาราดัก รวมทั้งวัตถุประกอบระเบิดจำนวนมากในห้องพัก เขาจึงเป็นกุญแจสำคัญในคดี ก่อนขยายผลไปยังผู้ร่วมขบวนการอีก 17 คน ข้อมูลจากชุดสืบสวนระบุพฤติกรรมของนายอาเดม ว่าเป็นคนเดียวกับชายเสื้อเหลืองที่วางระเบิดในศาลท้าวมหาพรหม ขณะที่ภาพวงจรปิดในศาลท้าวมหาพรหมบึนทึกได้ว่านายอาเดมสวมเสื้อสีเหลืองเดินเข้ามาก่อเหตุ ส่วนนายเมียไรลี ยูซูฟู เป็นอีกคนที่เอาระเบิดไปวางที่ท่าเรือสาทร และยังเป็นหนึ่งในกลุ่มชาวตุรกี 4 คน ที่ตำรวจระบุว่าไปซื้อวัตถุประกอบระเบิดย่านมีนบุรีก่อนนำมาก่อเหตุ
จากการสืบสวนของเจ้าหน้าที่ตำรวจยังเชื่อมโยงถึง น.ส.วรรณา สวนสัน หรือ ไมซาเราะ และนายเอ็มระห์ ดาวูโตกูล สามี โดยทั้ง 2 คนเป็นผู้ที่เช่าห้องพักและสนับสนุนเงินให้กลุ่มผู้ก่อเหตุ นอกจากนี้ยังพบผู้ต้องหาคนสำคัญคือ นายอีซาน ซึ่งสำนักงานป้องกันและปราบปรามการฟอกเงิน (ปปง.) ยืนยันข้อมูลว่า นายอีซานเป็นผู้สนับสนุนเงินให้กลุ่มผู้ก่อเหตุ
สำหรับนายอีซานมีสัญชาติอุยเกอร์ จึงทำให้เกิดการตั้งข้อสังเกตจากสังคม ว่าอาจเชื่อมโยงกรณีที่ทางการไทยส่งตัวอุยเกอร์ให้กับจีน ทั้งที่กลุ่มอุยเกอร์ขอเดินทางไปประเทศที่ 3 แต่ตำรวจระบุว่าสาเหตุหลักของการก่อเหตุน่าจะมาจากความไม่พอใจการปราบปรามขบวนการค้ามนุษย์
กว่า 4 เดือนที่ผ่านมา ตำรวจสามารถจับกุมผู้ต้องหาในคดีดังกล่าวได้เพียง 2 คน คือนายอาเดม คาราดัก และนายเมียไรรี ยูซูฟู ซึ่งขณะนี้ทั้ง 2 คนถูกส่งฟ้องที่ศาลทหาร พร้อมสำนวนกว่า 8,000 หน้า โดยอัยการศาลทหารมีความเห็นสั่งฟ้องในความผิดรวม 10 ข้อหา