La policía del estado de Nueva Gales del Sur dijo que dos hombres, de 34 y 50 años, y una mujer de 38 años habían muerto.
El atacante está entre las víctimas fatales, y el primer ministro australiano, Tony Abbott, dijo que era conocido por las autoridades y que tenía un historial de comportamientos extremos e inestabilidad mental.
El café Lindt resonó con los tiroteos y las explosiones de granadas de aturdimiento que se registraron poco después de las 2.00 hora local (1500 GMT del lunes).
Momentos antes, al menos seis personas que habrían estado entre los cautivos lograron huir tras el sonido de disparos provenientes de la cafetería. La policía confirmó más tarde que las personas habían reaccionado escapándose.
Hasta ahora, los rehenes fueron contabilizados en 17.
Los médicos intentaron revivir a una persona luego de la operación y se llevaron a varios heridos en camillas, dijo un testigo de Reuters en la escena en el centro de Sídney.
"Ellos tomaron la decisión porque creyeron en ese momento que si no ingresaban se habrían perdido muchas más vidas", dijo Andrew Scipione, comisionado de la policía en el estado de Nueva Gales del Sur.
Una investigación determinará si los rehenes murieron víctimas del hombre armado que los capturó o por el fuego cruzado en el momento del tiroteo, dijo Scipione a periodistas.
Miembros de la brigada de desactivación de explosivos ingresaron al lugar en busca de bombas, pero no encontraron ninguna.
La operación comenzó poco después de que una fuente policial identificara al secuestrador como Man Haron Monis, un refugiado iraní y autodenominado jeque que enfrentaba múltiples acusaciones por agresión sexual además de complicidad de asesinato.
También fue declarado culpable en el 2012 de enviar cartas ofensivas y amenazantes a las familias de ocho soldados australianos muertos en Afganistán, como protesta en contra de la participación de Australia en el conflicto, informaron los medios locales.
Aunque el secuestrador era conocido por las autoridades, expertos en seguridad dijeron que evitar ataques de personas que actúan en solitario es aún difícil.
"Hay dos áreas de preocupación. Una son los combatientes de Estado Islámico (EI) con pasaportes extranjeros que vuelven a sus países de origen para cometer actos de terrorismo", dijo el profesor de derecho Jens David Ohlin, de la Universidad Cornell, en Estados Unidos.
"Y la segunda son los simpatizantes del EI radicalizados por internet que cometen actos en solitario para cumplir con su ideología radical (...) Estamos entrando en una nueva fase de terrorismo que es, por lejos, más peligrosa y más difícil de vencer que lo que fue al Qaeda", agregó.
BANDERA ISLÁMICA
Durante la crisis, los rehenes fueron obligados a desplegar una bandera islámica, provocando temores a un ataque yihadista.
Australia, un firme aliado de Estados Unidos en su creciente ofensiva contra Estado Islámico en Siria e Irak, está en alerta máxima por posibles ataques de musulmanes locales radicalizados que vuelven de Oriente Medio.
Imágenes en las noticias mostraron a los rehenes sosteniendo una bandera blanca y negra que contenía la Shahada, un testimonio de la fe de los musulmanes. La bandera es popular entre grupos islamistas suníes como Estado Islámico y al Qaeda.
Al menos cinco rehenes fueron liberados o escaparon el lunes. Las imágenes mostraron cómo varios dependientes y clientes de la cafetería huían aterrorizados hacia los brazos de los agentes.
El incidente obligó a la evacuación de los edificios cercanos y causó conmoción en un país donde muchas personas habían comenzado a poner ya su atención en el período de Navidad después de amenazas de seguridad anteriores.
En septiembre, la policía antiterrorista australiana dijo que había frustrado un complot inminente para decapitar a una persona elegida al azar, y días más tarde un adolescente en Melbourne murió baleado después de atacar a dos agentes antiterroristas con un cuchillo.
La cafetería está en Martin Place, un paseo peatonal popular entre los trabajadores y que habría sido también el lugar potencialmente elegido para la decapitación frustrada.
Fue la mayor operación que se realizó en Sídney desde que una bomba en el Hotel Hilton causó la muerte de dos personas en 1978.
Los líderes musulmanes pidieron calma y el Consejo Nacional Australiano de Imanes condenó "este acto criminal" en un comunicado conjunto con el Gran Mufti de Australia.
