את הטעות הראשונה שלו עשה המחבל נשאת מלחם עוד לפני שבכלל הגיע לרחוב דיזנגוף בתל־אביב. מאז הוא המשיך ועשה עוד ועוד טעויות שהלכו והצטברו, הלכו והידקו את החבל סביב צווארו – עד שאותר וחוסל.
הטעות הראשונה: זמן מה לפני שביצע את הפיגוע השליך המחבל את הטלפון הנייד שלו בשביל צדדי ברחוב רדינג ברמת־אביב. תלמידה שחזרה מבית־הספר ביום שישי בצהריים מצאה את הטלפון וסיפרה על כך לאביה. השניים פתחו את המכשיר והתפלאו כשהגיעו אליו שיחות בערבית. במוצאי שבת, כשראו את שמו של המחבל בחדשות, חשבו שאולי יש קשר בין הדברים והעבירו את המכשיר למשטרה. המכשיר הזה סיפק לחוקרים את קצה החוט הראשון.
הטעות השנייה: מלחם הגיע לרחוב דיזנגוף ביום שישי בצהריים, ובשעה 14:38 פתח באש לעבר יושבי פאב הסימטא. משם הוא נמלט כנראה ברגל לרחוב אבן־גבירול, עלה על המונית של אמין שעבאן ורצח אותו ליד מלון מנדרין בצפון תל־אביב, שם נמצאה גופתו. מלחם גנב את המונית של שעבאן ונטש אותה כמה דקות אחר כך בדרך נמיר. הטעות השנייה שלו הייתה שהתקשר לאביו אחרי שביצע את הפיגוע. השיחה הזו הייתה בין היתר הבסיס למעצרו של האב ולחשד שהוא יודע היכן בנו מסתתר.
הטעות השלישית: במקביל לניסיונות לאתר את מלחם הפעילו שירותי הביטחון תוכנית מעקב על כמה גורמים שחשדו שיכולים להיות בקשר איתו, ביניהם בני משפחתו המורחבת. ביום שלישי, בעקבות טעות קריטית שעשה המחבל, יצא מפכ"ל המשטרה והכריז שאפשר לשחרר את הלחץ בתל־אביב.
הטעות הרביעית: מאותו רגע מיקדו החוקרים את החיפושים בוואדי ערה, האזור שבו נולד וגדל. באחד הסיורים הם מצאו בדל סיגריה, שממנו הצליחו להפיק די־אן־איי שהוכיח חד־משמעית שאת הסיגיריה הזו עישן המחבל המבוקש. בנוסף הצליחו החוקרים להפיק די־אן־איי מממצא נוסף שהשאיר המחבל בשטח, וגם הוא אישר שהחוקרים במקום הנכון.
הטעות החמישית: ביום שישי בבוקר התקבלה האינדיקציה הסופית למיקומו של מלחם. היה זה לאחר שבשמונה בבוקר התקשר אחד מבני משפחתו לעו"ד נחמי פיינבלט, שמייצג כמה מבני המשפחה, וסיפר לו כי נשאת נראה בוודאות באזור שכונת אלדהראת.
"האיש אמר לי, 'נחמי, אשתי ובת משפחה ראו את נשאת ליד הבית שלנו'", סיפר עו"ד פיינבלט. "לטענתו הן נכנסו הביתה וראו שהחלון פתוח ושמישהו פרץ אליהם הביתה. הן ראו שחיטטו בארונות ובכל הדברים. כשהן יצאו החוצה הן ראו אותו ממלא מים בג'ריקן בחוץ כשהוא עם קפוצ'ון על הראש. הן שאלו אותו, 'מי אתה?' והוא אמר להן 'ואסים'. הן ישר זיהו אותו, גם לפי הקול וגם לפי מבנה הגוף".
עו"ד פיינבלט התקשר לשב"כ, שבמקביל קיבל הודעה על כך שהמחבל נראה במכולת השכונתית. בעקבות כך הצטמצמו החיפושים לשכונה הספציפית - ובה גם חוסל המחבל כמה שעות אחר כך.