Évekig tartott a nyomozás, amelynek során a francia rendőrség – az európai titkosszolgálatok és az Europol segítségével – a legapróbb részletekig feltárta a párizsi merényletsorozat hátterét. Ebből kiderül, hogy az akciókat az Iszlám Állam terrorszervezet több országra kiterjedő, harminc fős frankofón csoportja készítette elő. A Belgiumban toborzott terrorkommandót a csoport vezetője, a belgiumi Laekenben 1984. május 4-én született belga-marokkói állampolgárságú Oussama Atar irányította Szíriából. 2017. november 17-én célzott támadásban a nemzetközi koalíció amerikai erői Szíriában megölték, ám a párizsi különleges esküdtszék a perben őt is vádlottnak tekinti.
A Stade de France öngyilkos merénylőinek holttestei mellett talált hamis szíriai útlevelek tulajdonosai valójában iraki állampolgárok voltak. Szíriai menekültnek álcázva magukat 2015. október 3-án egy 198 fős migránscsoporttal érkeztek a görögországi Lérosz szigetére. Ugyanebből a csoportból a görög rendőrség rövid időre őrizetbe vette a szintén hamis papírokkal érkező algériai Adel Haddadit és a pakisztáni Muhammad Usmant. Őket két hónappal később – már a terrortámadás után – egy ausztriai menekülttáborban ismét őrizetbe vették. Mindketten beismerték, hogy az Iszlám Állam küldte őket Franciaországba, hogy öngyilkos merényletet kövessenek el, ők is vádlottak a perben.
A terrorkommandó belga és francia állampolgárságú tagjai ugyanígy jutottak vissza Európába. menedékkérőknek kiadva magukat Görögországnál léptek be az Európai Unióba hamis szíriai útlevelekkel, a migránsok közt elvegyülve. A balkáni útvonalon végighaladva jutottak Magyarországra, ahol bérelt autóba ültek, s Ausztrián és Németországon át érkeztek meg brüsszeli búvóhelyükre.
Az Iszlám Állam külföldi hadműveleti csoportja, a Copex intézte úgy, hogy a migránsútvonalon jussanak be Európába a terroristák. A Copex 2014 júniusában jött létre, vezetője, Oussama Atar tervelte ki és irányította a párizsi merényletsorozatot. Az Iszlám Állam 2014 szeptemberében szólította fel a muzulmánokat arra, hogy a Szíriában légi támadásokat végrehajtó nemzetközi koalíció tagállamai ellen lépjenek fel. Franciaországot külön is megjelölte a dzsihadista szervezet: „Ha módotokban áll amerikai vagy európai hitetlent ölni, mindenekelőtt a gonosz és tisztátlan franciákat, számíthattok Allahra. Öljétek meg őket bármilyen módon: üssétek fejbe egy kővel, vágjátok el késsel a torkát, gázoljátok halálra autóval, fojtsátok meg vagy dobjátok le a magasból!”
A nyomozók szerint ez a felhívás az Iszlám Állam új stratégiájának alapja lett. A „hitetlenek” elleni harcot ezentúl a saját hazájukban, mindenekelőtt Franciaországban kell folytatni, azzal a nyíltan vállalt céllal, hogy a terrorcselekmények mind szélesebb körben elterjedjenek.
A terrorkommandó legtöbb tagját Oussama Atar Brüsszelben toborozta. A veterán dzsihadistát még az al-Kaida tagjaként 2005-ben őrizetbe vették Irakban, ahol tíz évi szabadságvesztésre ítélték. A börtönben tanult meg arabul és ismerkedett össze az Iszlám Állam későbbi vezetőivel. 2012 szeptemberében rákbetegségére hivatkozva hazaengedték kezelésre Belgiumba, ahol a belga titkosszolgálatok többször is kihallgatták, de nem minősítették veszélyes tényezőnek. 2013-ban már Szíriában harcolt. Rövid otthonléte alatt köztörvényes bűncselekményekért elítélt két unokatestvérét is sikeresen radikalizálta, akik később többször is látogatást tettek nála Szíriában. Az ő feladatuk lett a terrorkommandó brüsszeli búvóhelyeinek és logisztikai hálózatának kiépítése, amihez betörésekből szerezték a pénzt. A brüsszeli repülőtéren végrehajtott támadás öngyilkos merénylőiként haltak meg 2016. márciusában.
A párizsi terrortámadások operációs vezetője a belga-marokkói Abdelhamid Abaaoud volt. Az európai országok titkosszolgálatai 2015 júliusa óta tudták, hogy Abaaoud dzsihadistákat akar Szíriából Európába küldeni terrortámadások végrehajtására, de azt gondolták, hogy ő maga Szíriában van. Szeptember 27-én a francia hadsereg végrehajtotta az első légi csapásokat az Iszlám Állam kiképzőtáborai ellen, azt remélve, hogy ezzel megakadályozhatja a készülő merényleteket. A kontinens legkeresettebb dzsihadistája azonban ekkor már Párizsban volt, és személyesen irányította a terrortámadás előkészületeit. Kommandójának tagjai augusztustól kezdve fokozatosan érkeztek hamis szíriai dokumentumokkal Brüsszelbe, ahol hamis belga papírokkal húzták meg magukat november 13-ig. Mindannyian kiképzett iszlamista harcosok voltak, az Iszlám Állam elitbrigádjainak tagjai, korábban átfogó ideológiai képzésben részesültek. Egy 2016 januárjában közzétett propagandafilmben a kilenctagú kommandó hét tagja látható, amint foglyaikat lelövik vagy lefejezik, előre megindokolva a készülő párizsi merényletsorozatot. A francia titkosszolgálatok szerint a rögzített kivégzéssorozat arra szolgált, hogy a terrorszervezet meggyőződjön a terroristák eltökéltségéről és megbízhatóságáról. Európába érkezésük után 2015. november 13-ig mindegyikük közvetlen kapcsolatban állt Oussama Atarral.
