最先到达现场的中国使馆人员孙一先发现，九个人分三堆分布，死亡的惨状他都记录下来，并有详细描述。后来证实，编号为五号的尸体正是林彪，“第五号尸体，个子瘦小，虽然每具尸体焚烧后似乎都有些缩短，而且由于皮肤肿胀显得年轻，但这具尸体看来缩得更厉害一些，像个大孩子。全身衣服烧光，但皮肤烧灼不重。上身平仰，下身略向右侧。头部上昂，秃顶，头皮有绽裂，露出几道灰白色头骨。有额纹，眉烧光，眼睛烧凹深陷。颧骨较高，下巴较尖，脸部棱角明显。鼻子较大，鼻尖烧焦，露出两个朝天的黑洞。嘴张开，右门牙及尖牙摔掉，舌头烧黑。左眼内角至鼻梁间有一伤痕，血迹沿额部流至右头顶。右臂平伸，手心向上，左臂内弯，手心扣向腰眼。右腿直伸，脚心向下，左腿内屈，踝部搭在右膝上，胫骨炸断，肌肉外翻，上径骨刺露。两脚底及手心都烧起燎泡。这个尸体的面部轮廓看起来眼熟，但想不起在哪里见过。”
一阵亮光之后，中国的二号人物就此灰飞烟灭，但他身后的疑云却越来越多。蒙古方面当年草拟的事故报告里排除了气候原因：据乌兰巴托中央机场气象台报告，在九月十三日两点钟时，肯特省伊德尔莫格县上空有二至四级的云，能见度五十公里，无危险的气象情况，无风沙、无雾、无风。因此，自然因素也应属排除之列。
在飞机坠落后的北京，尽管形势严峻，但还有轻松之举，吴法宪在自己的回忆录里记述了有趣的一幕：“九月十三日上午九时左右，飞机坠落七个小时后，空三十四师的师长时念堂来报告说，毛主席那里的警卫部队，要派人进机场，给毛主席打野兔子吃。”周恩来说：“都什么时候了，只好让他们去打一次，以后不要再这样了。”吴法宪随后又将这一批示向时念堂作了传达。
苏联当局根据其驻华使馆的情报，认为应该弄清楚这架飞机上乘坐的究竟是什么人，于是在飞机坠毁五周之后（按：后来俄罗斯报纸又称为九月下旬），派克格勃的调查组来到坠机现场。他们把墓地的棺材全部挖了出来，逐个检验因天寒地冻而未完全腐烂的尸体，在蒙古专家的帮助下，首先肯定了尸体的所有伤痕都是因飞机坠毁造成的，排除了乘客在坠机前死亡的可能性。
新华社《参考消息》于一九九四年五月二十一日登载了俄罗斯军队的《红星报》报道的《林彪事件鉴定始末》。据称他们于一九九四年五月派记者采访了托米林。托米林的真实身份是退役少将军医，当年已是着名的犯罪侦察学者，以及是经验丰富的法医和高级专家，刚被任命为国防部法医学实验所所长。
与他同去蒙古进行调查的，有克格勃的侦察员扎格沃兹汀及其助手、病理学家沃尔斯基。
克格勃调查组虽然带来了“九·一三”以后中国再没有公开露面的领导人资料，但烧焦的尸体已面目全非，对照资料难以判定。于是，他们割下了那个女人和那个岁数最大的男人的头颅，放在大锅里架起柴火煮，目的是将毛发、皮肉剥离干净。这种残酷的做法，外行人看来实在是异常恐怖。最后，苏联人把两个煮干净的颅骨装箱带回苏联。
托米林回到苏联驻蒙古大使馆，翻阅几本杂志时看到了林彪的照片，他心里一动，脱口而出，“真像啊”。回到莫斯科以后，他收集大量的林彪的照片，在一张脱帽照片中，发现了林彪的右太阳穴稍上处有一道明显的疤痕，而从蒙古带回的头骨上也有这么一条伤痕。
当他找来林彪过去在苏联治病时的病历，一张X光片上清楚显示了其肺部结核钙化的硬结。于是他决定再次飞往蒙古，陪同他的是人体形态学研究所所长佩尔米亚科夫。调查组的工作，使苏联最高领导非常满意，他们得到了嘉奖和晋升，扎格沃兹汀擢升为将军，托米林则获得领导国防部所有病理实验室的特权。
一九九八年二月十八日，《参考消息》刊登了日本《朝日新闻》记者对一九七一年担任蒙古外交部副部长的云登的采访报道。云登证实，死难者尸体掩埋四五周后，苏联掌握了情报，认为“似乎是林彪乘坐的飞机”。十月中旬，苏联国防部法医部门和国家安全委员会克格勃两名将军到现场，从墓中挖出了据说是林彪及其夫人的遗体，割下头颅带走了。
十一月，这两位将军再次来到现场，详细检查了被割掉头部的男性遗体，并带走了上半身，当时有蒙古的两名法医在场，但事后蒙古政府被抛在一边，尸骨也没有归回原葬墓地。
日本共同社二○○六年披露了以前未公开的一九七一年九月十三日林彪所乘飞机在蒙古境内坠毁一事，为256号飞机的命运提供了新的说法。当时蒙古政府曾总结了一份题为《中国飞机在蒙古境内坠毁原因的确定文件》的调查报告，所署日期为一九七一年十一月二十日，共十六页。共同社获取了这份未公开的文件和未曾发表的现场照片。
该报告说，对一九七一年九月十三日坠毁的林彪座机展开的调查是在事故发生约一个月后（从十月八日至十八日）进行的，当时苏联专家参与了调查工作。
调查小组当时得出的结论是，导致这架飞机坠毁的直接原因是导航问题，这就排除了飞机被击落的可能性。报告说，英国制造的三叉戟在气候良好时极少犯航线错误，而且也没有来自这架飞机的任何无线电通信，这两个事实说明，中国解释说这架飞机犯了航线错误是说不通的。
报告还对林彪座机燃油不够的说法表示怀疑。说：“飞机残骸在极广范围内燃烧了很长时间，这一事实表明它有足够的燃料继续飞行。”它说：“大火覆盖了一块长九百七十五米、宽三百二十一米的地方。”它还说，飞机坠毁时，引擎正常，而且“没有证据证明机上人员由于紧急原因做出了降落决定”。
蒙古方面的消息人士当时说，调查人员一致认为，一定是机上人员之间发生了搏斗，支持林彪的一方想逃去苏联；另一方则想返回中国。蒙古的这篇报告说，在坠毁现场发现的八支枪中，有一支枪子弹已经上了膛。
云登透露，中国飞机坠毁现场发现了大量军用物品，包括：中国空军密码，含师级名称在内的飞行指示书，写有部队名称的燃料购买证，出入部队的身份证明书，军用手枪（中国造六支、苏联造一支）及一支自动步枪、军装和军队相关书籍，等等。
蒙方认为中国军用飞机侵犯领空，进行间谍飞行或破坏工作的可能性是存在的，机上遗物情况没有告诉中国方面。中国方面虽要求归还机上遗物，但当蒙方要求提交全体机上人员名单时，中方撤回了自己的主张。
蒙古曾成立一个委员会来调查这次飞机失事，但是蒙古方面的保密法规定，此报告到二○○八年才可公布。现时尚未全部披露。据有关人士透露，蒙方的诸多电影记录里曾有坠机现场的诸多真实场景，未来披露的材料或将进一步提示当日所发生的一切。
对林彪专机的坠毁，一种最广为流传的说法是，该机是被导弹击中后坠毁的。中国驻蒙古大使馆的人员在飞机坠毁的现场调查后，带回一张照片，正好飞机的机翼上有一洞孔。这两点不谋而合，曾被人怀疑，飞机是被导弹击落的。
前驻蒙使馆外交官孙一先，是当年中方到达坠机现场勘察的四人成员之一。他回忆起当时对坠机现场的勘察情况时说，“坠毁飞机头的旁边，有一段断翼，就是飞机翅膀断了，从翼根的地方断了，另外，它前面那一截也没有了。机翼上面有一个大洞，大概有四十来公分直径的一个大洞。我看到那个大洞，我马上就意识到了‘这是不是导弹给打的洞’？这个飞机翼很厚，翼根很厚，翼根大概有将近一米的高度。我就爬上去，往下看，结果发现这个大洞没打穿。朝上这个面是个洞，下面还都完好的。”
俄罗斯远东问题研究专家达维多夫在谈到弹孔问题时说：“在研究飞机残骸的时候，有一种说法认为蒙古方面发射了导弹，蒙古领导人向苏联和西方记者声明过，他曾向苏方请求，对飞机发射导弹，苏方的领导拒绝这么做。于是蒙古领导人说，那就让他飞吧。根据我读到的材料说，在调查现场发现有弹孔，而且，发射的方向不是由外而内，而是由内而外，这也就否定了被导弹击中的可能性。”
近十年来，内地的弹道和导弹专家几乎是同一种结论：中国导弹要把蒙古温都尔汗的飞机打下来几乎是不可能的。因为当时装备的导弹，还到不了二百公里的射程，而中国离温都尔汗则有一千一百多公里。
也有人对256号飞机坠毁提出质疑，认为飞机可能是由于舱内起火，导致引擎失火而坠毁。还有人认为是飞机机翼断毁，飞机失去平衡，采取迫降的方法，在迫降的过程中，产生了失误，最终导致了飞机坠毁。
根据对飞机坠毁现场和飞机残骸进行的技术研究，以及对尸体进行法医鉴定，没有发现搏斗的痕迹。九具尸体都没有任何弹孔。几具尸体部位的血迹，是飞机爆炸时撞伤和急速甩出时摔伤所致。
达维多夫说：“飞机上有红外线，能够夜间飞行，甚至可以不用飞行员，专家们的结论是256机失事，是操作失误造成的。飞机上的人所携带的武器，并没有用过的痕迹，也就是谁都没有开过枪。”
潘景寅在二十世纪六十年代初的一次迫降经历：“有一年冬季下雪，他在起飞时飞机左边的主起落架撞在了跑道边沿清扫堆起的雪丘上，致使起落架后撑杆受损而不能正常落地。在此情况下，潘景寅首先想到的是在空中盘旋，尽可能将机上的燃油消耗掉，以防止落地时另一个没有受伤的起落架也支撑不住，机身与地面摩擦起火爆炸。潘对这一事故处理的结果是：在落地滑跑中，随着飞机速度的逐渐减小，由于左起落架失去支撑，左机翼下沉，造成向左偏出跑道，致使左发动机的螺旋桨触地打坏，飞行员安然无恙，飞机经修复后继续使用。”
民间研究者“京城孤魂”认为，在这次经历后，潘景寅又经过近十年的飞行磨练，对于飞机迫降，尤其是三叉戟这种下置油箱飞机迫降更是没有道理在燃油没有耗尽的情况下就贸然实行。
256号三叉戟飞机的机尾是全机中最大的一块没有燃烧爆炸的金属物。据此可断定：装在这里面的飞机状态记录器会完好无损且不会被抛出去在机头部位，盛着语音记录器的架子，也仍然完好无损，因此可断定：“黑匣子”不会损坏。
从蒙古回国，并带回照片的驻蒙使馆人员孙一先也在回忆中证实，当时提供这一洞孔情况，主要是林彪专机坠毁地点离苏军驻蒙的军事基地很近，怀疑有苏军发射导弹的可能。提出此问题后，经周总理指示，在事后，很快找了一架与出事同样的飞机进行了现场分析，当时就否定了“被导弹击毁”的怀疑。
但从很多方面来看，当初中方这一判断显得有些草率。苏联政府及军方，在事发后的行动，显得颇不寻常。
云登在接受采访时肯定地说，九月十四日，蒙方本来要派专机运送中国驻蒙古使馆人员去温都尔汗勘察现场，突然接到苏方通知，苏军直升机已从赤塔飞到中国飞机坠毁现场进行调查，并拆走飞机上的一座引擎，因而运送中国人员的专机不得不推迟至十五日下午起飞。
而中方人员却被蒙方人员告知，因为天气原因，起飞被迫延迟，而当日的气象资料显示，蒙方这种说法明显是托词。云登说，驻扎的苏军行动相当快，随即将三叉戟的三个引擎中的一个拿回去，但是当时他们对于九人的尸体或身份完全没兴趣。
云登说，现场是宽广的草原地带，地上留有长达八百公尺的滑行痕迹，而令人揣测该机系拟准备降落，但是因为土质过软，途中机体陷落，机翼折断而引发爆炸起火；总之飞机失事并不是如坊间所传的原因，系因降落着陆失败所致。
美国记者汉纳姆后来访问了莫罗扎姆茨，后者已经任蒙古政治局成员三十年之久，在那时，乌兰巴托的第二号人物是国家代理元首。莫罗扎姆茨告诉汉纳姆：“我们最先发现飞机时并非是其正穿越我们的国境，而是它已经飞越了我国领土，它向苏联人表示：‘让我们进入。’但是苏联人拒绝了。我们得知如果此飞机继续飞行，它将被击落。这就是飞机为什么会掉头转弯。”莫罗扎姆茨说，飞机坠毁几个月后，他在一次与一位资深苏联军官偶然的聊天中得知了这个资讯。
其时，在蒙古驻有苏联军队大约七万人。飞机坠毁当天，一批由苏联军人和航空专家组成的调查组就赶到现场，了解飞机坠毁原因，苏军方面四五个工作人员勘察和拍照了所有出事的地形全貌和尸体排列形状后，将飞机机体的三台劳斯莱斯公司制造的斯佩式发动机中的一台拆运回苏联。
苏方为什么要拿走发动机？许多人认为是苏联为了窃取劳斯莱斯发动机的制造技术。但即便如此，苏联没有理由阻挠中方人员在第一时间赶到现场。有一种说法认为，苏方不想让中方人员看见那台发动机。从“窃取技术”的原因说，拆走两台才真正符合技术人员的通常做法，但苏方似乎对剩余的两台发动机毫无兴趣。
苏军在“九·一三”之后，发生过两次击落外国民航客机的事件。一九七八年四月二十日，一架航班号为902的韩国航空公司的波音707客机，从巴黎经北极航线飞往汉城，由于驾驶员的疏忽，在苏联北方城市摩尔曼斯克附近的苏芬边境上空进入苏联领空。
苏军立即起飞六架战斗机进行拦截，美国监听到苏联飞行员向其上司报告，根据标志看这是一架民航客机，但苏军地面指挥仍然下令将其击落。苏-15战斗机向902航班发射了两枚P-98空空导弹。
一枚没有击中，一枚近机爆炸，打断了波音707左翼四米多的一段，导弹弹片穿入机舱，打死了两名乘客，另有十三人受伤。尽管被导弹打掉了部分左外翼，座舱被击穿失压，但波音707在低空又坚持飞行了一个多小时，直到在数百公里外苏联境内科尔皮亚尔维湖的冰面上找到迫降场，迫降成功。
一九八三年九月一日，苏军击落了韩国一架波音747客机。这架航班号为KAL007的客机在从安克雷奇飞往汉城途中，不知何故严重偏离航线，飞临苏联萨哈林上空，尽管起飞拦截的前苏联空军苏-15战斗机分辨出那是一架波音747客机，但仍遵照地面命令用空空导弹将其击落在莫涅龙岛附近海面，该机上的二百六十九名乘客和机组人员全部丧生。
民间研究者“京城孤魂”在题为《谁干掉了林彪256专机？》一文中提出两个支持理由。在从巴基斯坦购进这批三叉戟之前，中国最好的民航客机就是林彪以前的专机所用的“子爵号”涡轮螺旋桨飞机。该型飞机使用涡轮螺旋桨飞行，速度远远低于三叉戟，巡航速度也只有五百多公里。
