Semenjak peristiwa Pengeboman Bali 2002, Noordin, Azahari, dan anggota JI lainnya (termasuk Imam Samudera) menjadi sasaran pencarian utama Polri. Di mata FBI ia menempati urutan ketiga sebagai orang yang paling dicari pada tahun 2006. Dalam penyergapan oleh satuan khusus anti-terorisme Densus 88 di Batu, Malang, tanggal 9 November 2005 yang menewaskan Azahari, Noordin dapat melarikan diri. Dalam suatu penggerebekan di Weleri, Kendal pada 2007, Noordin dikabarkan kembali lolos. Seusai Pengeboman Mega Kuningan, Jakarta, 2009, polisi kembali mengintensifkan pengejaran. Ia sempat diduga sebagai salah satu korban tewas dalam penyergapan di Temanggung, Jawa Tengah, oleh Densus 88 pada 8 Agustus 2009, namun empat hari kemudian Polri menyatakan bahwa yang tewas adalah Ibrohim. Baru pada tanggal 17 September 2009, Noordin akhirnya tewas dalam penyergapan di Kampung Kepuhsari, Mojosongo, Jebres, Surakarta, bersama-sama dengan tiga orang lain, termasuk Bagus Budi Pranoto (perakit bom peledakan Kedubes Australia di Jakarta pada 2004) dan Ario Sudarso, keduanya ahli perakitan bom didikan Azahari.