נשיא מדינת ישראל, ראובן ריבלין, פרסם בצהרי יום הרצח פוסט בדף הפייסבוק שלו, שבו פנה בערבית אל אזרחי ישראל הערבים, ולאחר מכן בעברית אל אזרחי ישראל היהודים, במילים שקיבלו הד ציבורי נרחב: "יותר משאני חש בושה, אני חש כאב. כאב על רציחתו של תינוק קטן. כאב על שבני עמי בחרו בדרך הטרור ואיבדו צלם אנוש. דרכם אינה דרכי. דרכם אינה דרכנו. דרכם אינה דרכה של מדינת ישראל ואינה דרכו של העם היהודי". הוא קרא לחשבון נפש במדינת ישראל ובחברה היהודית ולמאבק נחוש באלימות ובגזענות, ובמקביל פנה אל בני העם הפלסטיני בבקשה ש"לא להיכנע לרגשות הזעם והכעס... ולהיזהר מלהיגרר למעשים מזיקים ומיותרים". דבריו של ריבלין צוטטו מאז שוב ושוב, בישראל ובעולם.
ראש ממשלת ישראל, בנימין נתניהו, הביע בבוקר הפיגוע זעזוע מהמקרה שאותו כינה "פיגוע טרור לכל דבר". בעקבות מותו של סעד דוואבשה הביע נתניהו צער והוסיף: "השבוע בישיבת הקבינט המדיני-ביטחוני קיבלנו החלטות שיסייעו להילחם במחוללי טרור, לרבות שימוש במעצרים מנהליים וקידום הצעת חוק הטרור. לא נשלים עם טרור מכל צד שהוא".
הרבנים אליעזר מלמד ויואל בן נון פרסמו מאמרים המגנים את הפיגוע. יומיים לאחר מכן יצאה איגרת גינוי שכותרתה "לא תרצח" החתומה מטעם רבנים מהציונות הדתית ובהם הרבנים יעקב אריאל ואורי שרקי. ב-3 באוגוסט התקיימה תפילה משותפת של רבנים, אישי ציבור ומנהיגים מוסלמים במטרה למחות על הרצח, בין הנוכחים היו הרבנים יעקב מדן, שלמה ריסקין ויואל בן נון והרבנית הדסה פרומן. מאוחר יותר באותו היום התאספה קבוצת רבנים נוספת יחד עם שייח'ים לתפילה משותפת לרפואת בני המשפחה. רבני היישובים הסמוכים לכפר דומא הוציאו מכתב גינוי וההשתפות בצער המשפחה.
למחרת הפיגוע, ב-1 באוגוסט, ערכה תנועת "שלום עכשיו" עצרת מחאה בכיכר רבין בתל אביב, שבה נאמו ראש האופוזיציה יצחק הרצוג, נאסר דוואבשה, דודו של התינוק שנרצח, יו"ר מרצ זהבה גלאון, ומזכ"ל "שלום עכשיו" יריב אופנהיימר.
החקירה.
מערכת הביטחון הישראלית חשדה כי ההצתה נעשתה על ידי התארגנות יהודית שמטרתה הפלת המדינה והקמת "שלטון יהודי". בעקבות זאת החלה מערכת הביטחון להפעיל אמצעים נרחבים כלפי אנשים שלדעת השב"כ היו קשורים להתארגנות זאת ולמעשים שיוחסו לה, בהם הצתת כנסיית הדורמיציון. היועץ המשפטי לממשלה, יהודה וינשטיין, אישר בעקבות האירוע הוצאת צו מעצר מנהלי לשלושה פעילי ימין קיצוני, מאיר אטינגר, אביתר סלונים ומרדכי מאייר. מאייר שוחרר ב-3 בינואר 2016, לפני תום תקופת מעצרו המתוכנן, לאחר שחלק מחשדות השב"כ נגדו הופרכו בעקבות מידע חדש שהגיע לארגון. עשרות פעילים נוספים קיבלו צווי הרחקה מאזורים ביהודה ושומרון.
בספטמבר 2015 פורסם כי שר הביטחון, משה יעלון, אמר בפורומים סגורים שמערכת הביטחון יודעת מי הקבוצה האחראית לפיגוע, אך נמנעת מהעמדה לדין כדי שלא לחשוף מקורות מודיעיניים. יעלון הוסיף כי הוא משוכנע שמבצעי הפיגוע הם יהודים.
מצלמות אבטחה מדומא תיעדו רכב שהגיע במהלך הלילה לאזור הבית השרוף, ומאמצים של השב"כ הופנו למציאת האדם שסיפק את הרכב בתקווה שהלה יוביל אל המבצעים עצמם. במסגרת זו נעצרו חשודים ונחקרו בידי השב"כ, חלקם במשך 21 יום. בסופו של דבר הודיע השב"כ שהם אינם אשמים, ולפי כתב האישום הגיע בן אוליאל לדומא ברגל.
בסוף נובמבר וראשית דצמבר 2015 בוצעו מעצרים ופורסם שמספר חשודים יהודים נעצרו בקשר להצתה ולרצח. מהחשודים נמנעה זכות הפגישה עם עורך דין. לפחות חלק מהחשודים עברו, כל אחד בנפרד, תרגיל בכלא עכו, שבו נכלאו עם שוטרים שהתחזו לאסירים שכביכול עברו עבירה חמורה, ודרשו מהחשוד שיודה בפניהם על עבירות שביצע, כמאזן אימה שיבטיח שהחשוד לא ילשין על האסירים. בתרגילים אלו הודו חלק מהחשודים בהצתות שונות, אך אף אחד מהחשודים לא הודה במעורבות בפיגוע בדומא. הקלטות המדובבים והעצורים בתרגיל כלא עכו נחשפו בתוכנית התחקירים "עובדה".
משלושה מהחשודים, בהם שני קטינים, נמנעה זכות הפגישה עם עורכי דינם במשך שלושה שבועות, פרק הזמן המרבי שמאפשר החוק. נגד צעד זה הוגשו עתירות לבית המשפט המחוזי, אך העתירות נדחו, וערעורים שהוגשו לבית המשפט העליון נדחו אף הם.
בשלב זה הוחל בנוהל פצצה מתקתקת, שימוש ראשון בנוהל זה בחקירת יהודים. תחילה נעשה שימוש בלחץ פיזי כנגד הקטין, שבמהלך שלושה סבבי חקירה בנוהל זה הודה בביצוע הפיגוע בדומא, אך לאחר שהלחץ הפיזי הופסק חזר בו, והחוקרים לא האמינו להודאה שנתן בשל בעיות גרסה. בהמשך הודה הקטין בתכנון הפיגוע אך לא בהשתתפות בו. החקירות שברו את רוחו של הקטין והובילו אותו לניסיון התאבדות. במהלך אחד הדיונים בבית המשפט בכה הנער בפני השופט וביקש לסיים את חייו.
במשך 17 ימים שמר החשוד העיקרי, עמירם בן אוליאל, על זכות השתיקה. כשהופעלו נגדו הלחצים הפיזיים בלילה שבין 17 ל-18 בדצמבר הוא הודה במעשה, אך התעקש שעשה את המעשה לבדו. ביומיים הבאים נחקר פעמים אחדות ללא לחץ פיזי וחזר על הודאתו, ובלילה שבין 19 ל-20 לחודש נענה לדרישת השב"כ ושחזר את המעשה בכפר דומא. לקראת תום 21 ימי איסור המפגש עם עורך דין הועבר בן אוליאל ל"חקירת צורך" נוספת שלא הניבה מידע נוסף.
לאחר שהותר להם להיפגש עם עורכי דינם, כפרו בן אוליאל והקטין בהאשמות נגדם וטענו שהודו במעשים רק בשל עינויים שעברו במהלך החקירה.
שימוש באמצעים חריגים.
כבר לפני ביטול ההודאות שניגבו מבן אוליאל ומהקטין במהלך החקירות (ראו להלן), עוררו טענות על שימוש בעינויים מחאה ציבורית רחבה ודרישה לבדיקת הטענות. בתקשורת פורסמו ניסיון ההתאבדות של הקטין, הפצרתו בבכי בפני שופט להפסיק את החקירות, ובקשתו של הקטין להרוג אותו. במסגרת המאבק הציבורי התראיינו הוריו של הקטין במספר כלי תקשורת, תוך הצללת פניהם וטשטוש פרטיהם האישיים האסורים בפרסום. במקביל נפגשו ההורים עם שרת המשפטים איילת שקד וביקשו ממנה לפעול לטוהר החקירות.
שירות הביטחון הכללי, שעסק בחקירה, הודיע שהחקירה נועדה לחשוף התארגנות לפיגועים עתידיים, וכי היא מתנהלת על פי אמות המידה המקצועיות והמשפטיות המקובלות לסיכול התארגנויות העוסקות בהוצאת פיגועים חמורים.
טענות שהאירוע לא נעשה בידי יהודים.
ההגנה הצביעה על סימנים המטילים לדעתם ספק בכך שמדובר באירוע שבוצע בידי יהודים, וקראה לחקור את האפשרות שההצתה נעשתה על ידי כחלק מריב חמולות. זאת על רקע דליקות נוספות בבתים של משפחת דַוָואבְּשֶה, לפני האירוע ולאחריו. אף על פי כן, בפסק הדין מצוין כי "באשר לאפשרות שהרקע להצתה הינו פלילי, הוברר כי הדבר נבחן על ידי השב"כ ונשלל". לאורך השנים אירעו לפחות ארבעה מקרי דליקות נוספים בבתי בני חמולת דוואבשה בדומא, כולם ללא נפגעים. באוגוסט 2015, כחודש לאחר הפיגוע, קבעו שב"כ וצה"ל כי הדליקה נגרמה בעקבות קצר חשמלי. במרץ 2016, העריכו שב"כ ומשטרת ישראל כי הממצאים בזירת האירוע "אינם מתיישבים עם מאפיינים של הצתה מכוונת על ידי יהודים". ביולי 2016, הועבר לטיפול המשטרה הפלסטינית. במאי 2018, טענה הרשות הפלסטינית כי השרפה הוצתה בידי מתנחלים אך בחקירה ראשונית של משטרת ישראל עלה שמדובר בקצר חשמלי.
באפריל 2020 פרסמה עמותת "חננו" ביקורת על הליכי קבלת ההחלטות בתיק דומא. לדבריהם, עדות ראייה מרכזית מהאירוע לא נבחנה, שב"כ הציג מצג שווא בפני פרקליט המדינה שי ניצן כדי לבסס את האישור להפעלת אמצעים מיוחדים, גורמי ביטחון קבעו טרם פתיחת החקירה שמדובר בטרור יהודי, וכי השחזור שערך בן אוליאל מלא סתירות פנימיות ונערך תוך הפרת נוהלי מערכת אכיפת החוק.
הרב שמואל אליהו כתב כי נוסח הכתובת "יחי המלך המשיח" צריך להוביל לחשד שמדובר בחיסול חשבונות, מכיוון שהכתובת מאפיינת חסידי חב"ד ולא נערי גבעות ושהעצורים המנהליים נעצרו לשווא.
המשפט.
ב-3 בינואר 2016 הוגשו כתבי אישום נגד בן אוליאל בעבירות של רצח ונגד הקטין בגין תכנון המעשה. הם הואשמו, עם שני נאשמים נוספים, גם בסעיף של חברות בארגון טרור. בכתב האישום נטען שהשניים תכננו את הפיגוע כנקמה על רצח מלאכי רוזנפלד בפיגוע ירי בידי חוליית חמאס בסמוך לצומת קידה, ליד דומא, ביוני 2015. כמו כן טען השב"כ כי הנחקרים היו חלק מהתארגנות שנקראה "קבוצת המרד", התארגנות שעל פי הפרסומים החלה באוקטובר 2013, ושאפה לבצע פעולות אלימות נגד פלסטינים במטרה לגרום למלחמה בין יהודים ופלסטינים, וכתוצאה מכך להפיל את השלטון ולהמליך מלך על פי ההלכה.
בן אוליאל והקטין נעצרו עד תום ההליכים המשפטיים. פתיחת המשפט התעכבה בין השאר בגלל חילופים בייצוג המשפטי של בן אוליאל, לאחר שעורכי הדין יורם שפטל ויצחק בם התפטרו במחאה על כך שנאסר עליהם להיפגש עם בן אוליאל, ואף נמנעה מהם האפשרות לשוחח עמו באמצעות הטלפון. מעבר להודאה ולשחזור, טענו בתביעה שכתבי האישום מסתמכים גם על פרטים מוכמנים שבן אוליאל ידע לתאר בהודאתו.
משפט זוטא.
בנובמבר 2016 נפתח משפט זוטא בשאלת קבילות ההודאות שנגבו מהנאשמים, שהתנהל בדלתיים סגורות ותחת צו איסור פרסום בפני הרכב של שלושה שופטים בבית המשפט המחוזי מרכז. טענת ההגנה הייתה שההודאות נגבו בלחץ עינויים, ושהשימוש בהם היה בלתי חוקי מאחר שהנסיבות מראות שהמטרה לא הייתה סיכול פיגועים נוספים. בחודש יוני קיבל בית המשפט המחוזי מרכז חלק מטענות ההגנה ופסל הודאות שנגבו תחת שימוש ב'אמצעים המיוחדים' ואת ההודאות שנגבו מהקטין לאחר השימוש באמצעים אלו. בית המשפט אישר את קבילות ההודאות שנגבו מבן אוליאל לאחר השימוש באמצעים המיוחדים כולל שחזור שביצע, וכן ממצאים של "תרגיל מדובבים" שנעשה לקטין.