В поисковую группу вошли порядка 3,5 тыс. человек, было привлечено 45 кораблей (в том числе 7 судов Черноморского флота), 192 водолаза, глубоководные аппараты, 12 самолетов и 5 вертолетов, а также беспилотные летательные аппараты. Россиянам также помогали сотрудники Министерства по чрезвычайным ситуациям Абхазии.

Через несколько часов операции агентства передали страшную новость: выжить в катастрофе не удалось никому. Среди разбившихся были артисты хора и балета ансамбля Александрова, в том числе балетмейстер-постановщик народный артист РФ Вячеслав Ермолин, худрук ансамбля генерал-лейтенант Валерий Халилов, три съемочные группы телеканалов «Звезда», «Первый канал» и «НТВ».

Погибла в результате трагедии и известный правозащитник, глава фонда «Справедливая помощь» Елизавета Глинка, известная как Доктор Лиза.

Ранее она принимала участие в различных благотворительных акциях, а также получила известность, благодаря спасению детей из зоны конфликта в Донбассе. Глинка оказалась чуть ли не единственным человеком, чья деятельность была положительная оценена официальными лицами как России, так и Украины.

Соболезнования в связи со случившимся российской стороне тогда выразили руководители многих государств, главы крупнейших религиозных конфессий, деятели искусства России и других стран. 26 декабря в РФ и соседней Белоруссии был объявлен днем траура.

Только на третий день операции был найден первый — речевой — «черный ящик» разбившегося Ту-154. А еще через день был найден второй параметрический бортовой самописец. 29 декабря была завершена активная фаза поисковой операции. Всего были обнаружены тела 20 человек и многочисленные останки. Найденные тела и фрагменты тел жертв катастрофы отправлялись в Москву для проведения опознания и генетической экспертизы. В тот же день прошли первые похороны жертв катастрофы, их предали земле на Военном мемориальном кладбище в Мытищах.

Во время поисков нашли и большое количество обломков рухнувшего самолета. Они находились на расстоянии 1,7 тыс. метров от берега и имели радиус разброса 500 метров.

Кроме того, в ходе поисковой операции удалось обнаружить и фрагменты бомбардировщика американского производства Douglas A-20 Havoc/DB-7 Boston, поставленного в СССР по ленд-лизу из США и разбившегося 15 ноября 1942 года. Также на дне моря было найдено несколько неразорвавшихся авиабомб, которые затем были уничтожены.

Сразу после трагического происшествия Военный следственный отдел Следственного комитета (СК) Российской Федерации по Сочинскому гарнизону возбудил уголовное дело по статье 351 УК РФ («Нарушение правил полётов, повлёкшее тяжкие последствия»). Позднее дело передали в центральный аппарат СК РФ. Оказывало помощь в следственной работе и ФСБ РФ.

Ряд экспертов обратили внимание на то обстоятельство, что площадь разброса обломков воздушного судна очень велика, что могло говорить о взрыве на борту Ту-154, который произошел в результате теракта или диверсии. Однако в первый же месяц расследования несколько СМИ со ссылкой на свои источники сообщили, что следствие исключает версию о теракте.

Позже министр транспорта РФ Максим Соколов пояснил журналистам, что большой разброс обломков связан с сильным течением в Черном море, которое и отнесло фрагменты лайнера в сторону абхазского побережья.

Однако еще 29 декабря состоялась пресс-конференция о предварительных итогах расследования. В ней участвовал все тот же Соколов и начальник Службы безопасности полетов авиации Вооруженных сил РФ генерал-лейтенант Сергей Байнетов. Они заявили, что, по данным радиообмена, на борту вскоре после взлета произошла «особая ситуация». Как следовало из данных речевого самописца, последними словами членов экипажа был крик: «Командир, мы падаем!».

Также работа с «черными ящиками» показала, что закрылки лайнера были убраны не синхронно, что могло привести к опрокидыванию воздушного судна. В ГСУ тогда же возникла версия о том. что причиной гибели Ту-154 мог стать отказ гидросистемы самолета, что привело к полной утрате способности экипажа управлять машиной. А отказ гидросистемы мог произойти из-за короткого замыкания в одном из двигателей лайнера.

К марту 2017 года техническая часть расследования катастрофы была завершена. Выводы экспертов довольно сильно расходились с первоначальными версиями случившегося. Так, из них следует, что самолет не упал резко в море, а разбился при посадке на воду в управляемом полете (вместо продолжения набора высоты командир начал снижение). Причиной катастрофы, по мнению специалистов, могла стать дезориентация пилота в пространстве: якобы в темноте, над морем, он не контролировал визуально положение лайнера, поскольку не видел впереди ни ориентиров, ни даже горизонта.

26 апреля 2017 года «Газета. Ru» опубликовала материал, согласно которому причиной катастрофы была перегрузка самолета. По словам источников «Газеты. Ru», после дозаправки в Адлере вес самолета составил около 110 тонн вместо нормативных 98, причем экипаж о перегрузе не знал.

«Возможно, в самолет поместили что-то сравнительно небольшое по объему, но значительное по своему удельному весу», — сказал тогда собеседник издания. На следующий день Следственный комитет РФ официально заявил, что версия о перегрузке самолета не соответствует действительности.

24 мая 2017 года министр обороны России Сергей Шойгу заявил, что окончательная версия причины катастрофы «ясна на 99%" и пообещал в скором времени назвать ее. В конце мая в различных СМИ были опубликованы сведения со ссылкой на источник в Минобороны о том, что к крушению самолета привела ошибка командира экипажа майора Романа Волкова.

Еще одной версией случившегося стало предположение о том, что в кабине экипажа в кресле второго пилота находился посторонний человек, не обученный и не допущенный к полетам, который перепутал рычаги, убрав закрылки и оставив шасси.

По данным «Новой газеты», этот человек был военным летчиком, имевшим большой опыт, однако летавшим на других самолетах и занимавшим должность старшего инструктора-летчика службы летной подготовки войсковой части № 42829. Его фамилию решено было не называть по этическим соображениям. Портал «Блокнот — Новости Краснодара и Краснодарского края», впрочем, написал, что посторонним был подполковник Андрей Колосовский, который за день до катастрофы Ту-154 получил звание «Заслуженный военный летчик» из рук президента России Владимира Путина.

Как бы то ни было, на сайте МО РФ информация о завершении расследования не была приведена, официального пресс-релиза опубликовано не было, и пресс-конференция по итогам расследования не проводилась.

После чрезвычайного происшествия в интернет попал кадр, сделанный через несколько секунд после взлета Ту-154. На нем видна вспышка на борту лайнера, которую некоторые эксперты истрактовали как взрыв. Однако из-за низкого качества съемки и темного времени суток сделать вывод о том, что же именно запечатлено на этом кадре, не представляется возможным.

При этом официальный представитель СК РФ Светлана Петренко в понедельник, 25 декабря, подчеркнула, что версия теракта на борту самолета исключена. Таковы результаты многочисленных экспертиз.