Nashat Melhem spårades till en moské i sin hemstad Arara och dödades i en vapenstrid, sade polisen.
Attackerna utlöste en enorm jakt- och säkerhetsvarning över hela landet.
Polisen sa att Melhem, 29, var revolvermannen som dödade två israeler på en bar, sedan den israeliska arabföraren av en taxi som hämtade honom efter attacken.
En misstänkt tog fram ett automatgevär ur ryggsäcken och sköt minst 15 skott på folk på gatan innan han flydde.
Alon Bakal, 26 år, som var chef i baren, och Shimon Ruimi, 30 år, dödades.
Taxichauffören Amin Shaban dog efter att ha hittats allvarligt skadad i norra delen av staden strax efter skottlossningen.
Melhems far Mohammed identifierade sin son som misstänkt och anmälde honom till polisen. Mohammed Melhem och flera släktingar har arresterats i samband med fallet.
Israelisk premiärminister Benjamin Netanyahu gratulerade säkerhetsstyrkorna, som han sade hade "arbetat outtröttligt, metodiskt och professionellt för att lokalisera och eliminera terroristen".
Polisens talesman Luba Samri sa att Melhem sköts ihjäl efter att ha öppnat eld.
Ett vittne, Hakim Yunis, berättade för Israels kanal 10 TV att han såg en våldsam vapenstrid, rapporterade Associated Press nyhetsbyrån
"Jag satt på balkongen med min kusin... när plötsligt skjuta började, hundratals kulor, som i ett krig", sade han.
Polisen har ännu inte fastställt motiv för Tel Aviv-morden.
Israel var redan mycket vaksamt mitt i en våg av attacker mot israeler från palestinier och några israeliska araber som har dödat 22 israeler sedan början av oktober.
Under den tiden har 149 palestinier - mer än hälften av Israel sade sig vara angripare - skjutits ihjäl av säkerhetsstyrkor eller deras offer. Andra har dödats i sammandrabbningar med israeliska styrkor.
En israelisk arab sköts också ihjäl efter en attack vid en busstation i södra Israel i oktober där en israelisk soldat dödades.
En israelisk arab som var efterlyst för att ha skjutit döda tre personer i Tel Aviv den 1 januari har dödats av säkerhetsstyrkor i norra Israel.