Alla centrale della Questura di Roma la notizia di quanto accaduto in via Fani giunse alle ore 9.03. La centrale operativa dispose l'immediato invio di volanti. Dopo l'eccidio della scorta e il sequestro dell'onorevole Moro giunsero in via Fani il Capo della Polizia Parlato, il Comandante generale dell'Arma dei Carabinieri Corsini, il Questore di Roma De Francesco, il Comandante della Legione dei Carabinieri Coppola e tutti i responsabili della Pubblica sicurezza di Roma, nonché i magistrati della Procura della Repubblica presso il Tribunale di Roma, Procuratore Capo De Matteo e Sostituto Procuratore Infelisi. Gli stessi magistrati disposero le prime indagini, avviando la ricerca di possibili testimoni.
Sul posto giunse quasi immediatamente anche la signora Moro, la quale ha riferito alla Commissione che un funzionario di P.S. le avrebbe dichiarato che l'agguato doveva considerarsi o era delle BR.
Vennero individuate le persone che avevano assistito al fatto, ed attraverso le loro dichiarazioni si poté ricostruire la dinamica dell'agguato così come innanzi ricordata - e i successivi immediati sviluppi.
Si poté tra l'altro accertare che durante la fuga i terroristi furono inseguiti da Antonio Buttazzo, ex appuntato delle guardie di P.S. e allora autista della Società Italstat, il quale, alla guida di un'alfetta, tallonò la Fiat 132 blu e la Fiat 128 blu lungo via Stresa e via Trionfale, fino a piazza Monte Gaudio. Quivi, presa nota delle targhe, si fermò per telefonare alla Polizia. Una "volante" sopraggiunta in quel momento, e informata da Buttazzo, cercò inutilmente di inseguire la Fiat 132, la quale, però immessasi in via Carlo Belli prima e Casale de Bustis poi, si dileguò rapidamente.
Buttazzo notò a bordo della Fiat 132, sul sedile posteriore, un uomo che si dimenava in mezzo a due persone, una delle quali gli poggiava qualcosa di bianco, verosimilmente un tampone, sul viso.
Le indagini successive hanno permesso di stabilire che l'ingresso in via Casale de Bustis all'altezza con l'incrocio con via Gherzi era chiuso da uno sbarramento costituito da una catena di ferro, e che una giovane donna, facente parte del commando tranciò la catena, consentendo il passaggio delle tre macchine e risalendo quindi a bordo dell'ultima. Le tre auto furono poi notate da Anna Angelini De Luca, che si trovava alla finestra della propria abitazione, proseguire in direzione dell'incrocio con via Massimi, senza però svoltarvi.
Il sottufficiale del Corpo delle Guardie Forestali, Angelo Onofri, alle ore 9.30 circa, sul Grande Raccordo Anulare, a pochi metri dallo svincolo per la via Aurelia, vide due individui mentre si toglievano abiti di colore blu, indossandone altri, accanto ad un'autovettura bianca ferma al bordo della strada. Al riguardo la Questura di Roma effettuò un sopralluogo, nel corso del quale fu rinvenuto un talloncino autoadesivo dell'Alitalia.
Alle ore 23.30 del giorno stesso della strage, i militari di leva Luigi Botticelli e Lorenzo Ferragamo riferirono che verso le ore 17 di lunedì 13 marzo, transitando per via Fani all'altezza di via Stresa, avevano notato un'autovettura Fiat 128 con targa CD, che proseguiva a velocità ridotta, ed i cui occupanti si guardavano intorno come per orientarsi. Uno di costoro portava un berretto di foggia militare.
Il giorno della strage il fioraio Antonio Spiriticchio trovò squarciate le quattro gomme del furgone di sua proprietà: è verosimile che i terroristi abbiano voluto impedirgli di portarsi al suo abituale posto di lavoro, e cioè all'incrocio tra via Fani e via Stresa, luogo prescelto per l'agguato, al fine di evitare che la presenza di autovetture con persone a bordo e di uomini in divisa lo insospettisse.
Analogamente Mario D'Achille, conducente di ambulanza presso l'Ospedale S. Filippo Neri, notò il 12 ed il 14 marzo una Fiat 128 targata CD, in via Cortina d'Ampezzo, ad una cinquantina di metri dall'abitazione dell'onorevole Moro. A bordo c'erano un uomo ed una donna. D'Achille, presa visione delle foto dei brigatisti rossi ricercati, riconobbe in quella di Corrado Alunni l'effigie del conducente dell'autovettura. Le successive indagini di polizia giudiziaria hanno peraltro accertato che Alunni non ha partecipato all'agguato di via Fani.
Domenico Calia, altro testimone, riferì che, circa dieci giorni prima del fatto delittuoso, avrebbe visto in via Fani quattro individui in abito da netturbino, intenti a pulire la strada. La direzione della Nettezza Urbana di Roma ha assicurato di non aver mandato dipendenti nella zona in quei giorni.
All'angolo di via Fani con via Stresa agenti di PS e carabinieri rinvennero 84 bossoli calibro 9 e 4 calibro 7.65, 12 frammenti di proiettili, un caricatore con 25 colpi calibro 9 lungo, un paio di baffi posticci e la pistola della guardia lozzino, mentre non è stata ritrovata la pistola mitragliatrice Beretta M12 in dotazione al brigadiere Zizzi. Gli agenti rinvennero anche una borsa di pelle con marchio di fabbricazione tedesca e la scritta posticcia Alitalia ed un berretto da ufficiale pilota dell'Alitalia. Successivi accertamenti hanno consentito di stabilire che la borsa non era del tipo in dotazione o uso a compagnie aeree e che il berretto fu venduto, insieme ad altri due, il 10 marzo, in un negozio di Roma, ad una donna, riconosciuta su fotografia il pomeriggio del giorno 17 marzo in Adriana Faranda.
Sul luogo della strage fu abbandonata dai terroristi l'autovettura Fiat 128,-di color bianco, targata CD 19707, utilizzata per bloccare l'auto dell'onorevole Moro. La macchina era stata rubata l'8 marzo 1978: la targa invece è risultata sottratta già nell'aprile 1973 ad un addetto all'Ambasciata del Venezuela a Roma.
Poco dopo il compimento dell'agguato, alle 9.40, in via Licinio Calvo, agenti di polizia rinvennero una delle auto usate dai terroristi, e cioè la Fiat 132 blu, che è risultata poi essere stata rubata il 23 febbraio 1978 e provvista di targa falsa.
Alle 5.15, del giorno successivo, il 17 marzo, nella stessa via Licinio Calvo, agenti di polizia ritrovarono un'altra auto usata dagli assalitori e cioè la Fiat 128 bianca targata ROMA M53955. Le guardie di PS Pinna e Saba, che operarono il rinvenimento, hanno escluso che l'auto potesse essere stata abbandonata dai terroristi fin dalla mattina del 16, in quanto, dopo il ritrovamento della Fiat 132, essi avevano controllato tutte le auto in sosta sulla strada cercando proprio la 128, il cui numero di targa era stato loro fornito dalla sala operativa. L'autovettura 128 risultò essere stata rubata nello stesso giorno della Fiat 132, ed anch'essa era provvista di targa falsa.
Infine il 19 marzo alle ore 21, sempre in via Licinio Calvo, agenti di polizia ritrovarono anche la terza auto usata dal commando durante la fuga, e cioè la 128 blu targata ROMA L55850. Persona che abita nella zona ha escluso che prima di quel giorno l'auto potesse essere parcheggiata in quella strada. Anche la targa apposta a tale vettura, il cui furto era stato denunciato il 13 marzo 1978 al Commissariato di PS di Ponte Milvio, è risultata falsa.