最先到達現場的中國使館人員孫一先發現，九個人分三堆分布，死亡的慘狀他都記錄下來，並有詳細描述。後來證實，編號為五號的屍體正是林彪，“第五號屍體，個子瘦小，雖然每具屍體焚燒後似乎都有些縮短，而且由於皮膚腫脹顯得年輕，但這具屍體看來縮得更厲害一些，像個大孩子。全身衣服燒光，但皮膚燒灼不重。上身平仰，下身略向右側。頭部上昂，禿頂，頭皮有綻裂，露出幾道灰白色頭骨。有額紋，眉燒光，眼睛燒凹深陷。顴骨較高，下巴較尖，臉部棱角明顯。鼻子較大，鼻尖燒焦，露出兩個朝天的黑洞。嘴張開，右門牙及尖牙摔掉，舌頭燒黑。左眼內角至鼻梁間有一傷痕，血跡沿額部流至右頭頂。右臂平伸，手心向上，左臂內彎，手心扣向腰眼。右腿直伸，腳心向下，左腿內屈，踝部搭在右膝上，脛骨炸斷，肌肉外翻，上徑骨刺露。兩腳底及手心都燒起燎泡。這個屍體的麵部輪廓看起來眼熟，但想不起在哪裏見過。”
一陣亮光之後，中國的二號人物就此灰飛煙滅，但他身後的疑雲卻越來越多。蒙古方麵當年草擬的事故報告裏排除了氣候原因：據烏蘭巴托中央機場氣象台報告，在九月十三日兩點鍾時，肯特省伊德爾莫格縣上空有二至四級的雲，能見度五十公裏，無危險的氣象情況，無風沙、無霧、無風。因此，自然因素也應屬排除之列。
在飛機墜落後的北京，盡管形勢嚴峻，但還有輕鬆之舉，吳法憲在自己的回憶錄裏記述了有趣的一幕：“九月十三日上午九時左右，飛機墜落七個小時後，空三十四師的師長時念堂來報告說，毛主席那裏的警衛部隊，要派人進機場，給毛主席打野兔子吃。”周恩來說：“都什麼時候了，隻好讓他們去打一次，以後不要再這樣了。”吳法憲隨後又將這一批示向時念堂作了傳達。
蘇聯當局根據其駐華使館的情報，認為應該弄清楚這架飛機上乘坐的究竟是什麼人，於是在飛機墜毀五周之後（按：後來俄羅斯報紙又稱為九月下旬），派克格勃的調查組來到墜機現場。他們把墓地的棺材全部挖了出來，逐個檢驗因天寒地凍而未完全腐爛的屍體，在蒙古專家的幫助下，首先肯定了屍體的所有傷痕都是因飛機墜毀造成的，排除了乘客在墜機前死亡的可能性。
新華社《參考消息》於一九九四年五月二十一日登載了俄羅斯軍隊的《紅星報》報道的《林彪事件鑒定始末》。據稱他們於一九九四年五月派記者采訪了托米林。托米林的真實身份是退役少將軍醫，當年已是著名的犯罪偵察學者，以及是經驗豐富的法醫和高級專家，剛被任命為國防部法醫學實驗所所長。
與他同去蒙古進行調查的，有克格勃的偵察員紮格沃茲汀及其助手、病理學家沃爾斯基。
克格勃調查組雖然帶來了“九·一三”以後中國再沒有公開露麵的領導人資料，但燒焦的屍體已麵目全非，對照資料難以判定。於是，他們割下了那個女人和那個歲數最大的男人的頭顱，放在大鍋裏架起柴火煮，目的是將毛發、皮肉剝離幹淨。這種殘酷的做法，外行人看來實在是異常恐怖。最後，蘇聯人把兩個煮幹淨的顱骨裝箱帶回蘇聯。
托米林回到蘇聯駐蒙古大使館，翻閱幾本雜誌時看到了林彪的照片，他心裏一動，脫口而出，“真像啊”。回到莫斯科以後，他收集大量的林彪的照片，在一張脫帽照片中，發現了林彪的右太陽穴稍上處有一道明顯的疤痕，而從蒙古帶回的頭骨上也有這麼一條傷痕。
當他找來林彪過去在蘇聯治病時的病曆，一張X光片上清楚顯示了其肺部結核鈣化的硬結。於是他決定再次飛往蒙古，陪同他的是人體形態學研究所所長佩爾米亞科夫。調查組的工作，使蘇聯最高領導非常滿意，他們得到了嘉獎和晉升，紮格沃茲汀擢升為將軍，托米林則獲得領導國防部所有病理實驗室的特權。
一九九八年二月十八日，《參考消息》刊登了日本《朝日新聞》記者對一九七一年擔任蒙古外交部副部長的雲登的采訪報道。雲登證實，死難者屍體掩埋四五周後，蘇聯掌握了情報，認為“似乎是林彪乘坐的飛機”。十月中旬，蘇聯國防部法醫部門和國家安全委員會克格勃兩名將軍到現場，從墓中挖出了據說是林彪及其夫人的遺體，割下頭顱帶走了。
十一月，這兩位將軍再次來到現場，詳細檢查了被割掉頭部的男性遺體，並帶走了上半身，當時有蒙古的兩名法醫在場，但事後蒙古政府被拋在一邊，屍骨也沒有歸回原葬墓地。
日本共同社二○○六年披露了以前未公開的一九七一年九月十三日林彪所乘飛機在蒙古境內墜毀一事，為256號飛機的命運提供了新的說法。當時蒙古政府曾總結了一份題為《中國飛機在蒙古境內墜毀原因的確定文件》的調查報告，所署日期為一九七一年十一月二十日，共十六頁。共同社獲取了這份未公開的文件和未曾發表的現場照片。
該報告說，對一九七一年九月十三日墜毀的林彪座機展開的調查是在事故發生約一個月後（從十月八日至十八日）進行的，當時蘇聯專家參與了調查工作。