周恩來得訊，即和國民黨憲兵司令張鎮一起，驅車趕往市民醫院。當周恩來和張鎮趕到時，已是8時50分，晚了一步，李少石已於7時45分因流血過多而去世！
周恩來見到李少石遺體，淚如雨下。他不由得想起1925年8月20日廖仲愷在廣州國民黨中央黨部門口遭到槍擊而慘死的情景。周恩來泣道：“二十年前，在同樣的情況下，我看到你的嶽父……到如今我又看到你這樣……”
周恩來馬上想及的是毛澤東的安全問題，他隨即對張鎮說：“請你協助辦兩件事。第一，詳細調查李少石遭害的原因，迅速弄清真相；第二，晚會結束後，你用你的車，並由你親自陪同，送毛澤東主席回紅岩村，絕對保證他的安全。”張鎮一口答應照辦。
周恩來和張鎮又匆匆趕回軍事委員會大禮堂。晚會仍在進行，毛澤東和張治中仍在看戲。
這時，周恩來和張鎮都忙著布置緊急工作。周恩來在劇場旁的一間休息室裏，召集機要人員開緊急會議。據當時在場的石西民回憶，周恩來曾非常悲憤地說：“少石同誌是為我而死！”石西民聽了周恩來這話，才想及李少石的外貌頗似周恩來，可能是國民黨特務欲暗害周恩來而誤殺了李少石。這表明“李少石事件”是一樁非常嚴重的政治性事件。
張鎮也處於高度緊張之中，因為他事先一無所知，而眼下除了知道死者是廖仲愷之婿外，仍不知那槍彈是誰射來的。他急忙把張治中叫出，告知這一突發事件。張治中懵了！
他從熱情洋溢的劇場，一下子跌進了冰水裏……
張治中和張鎮當即叫來在劇場負責警戒的國民黨憲兵第三團團長張醴泉，命他火速趕回第三團團部，調動憲兵，追查此案。
劇終人散，等候在門口的桂園警衛班長李介新卻遲遲不見“何先生”出來，頗為著急。可是，他沒有通行證，又無法入內。直至夜深11時，“何先生”才在張鎮的陪同下，走了出來。本來，毛澤東是坐蔣介石派來的專車，由李介新護送，這一回，卻忽然改坐張鎮的車，跟張鎮坐在一起。車前車後，還有幾輛憲兵三輪摩托車護送，可謂“前呼後擁”。李介新也就隨他們一起護送毛澤東。
車抵紅岩村，張鎮隨毛澤東下車，說：“我送毛先生到辦事處。”
毛澤東連聲說不必，上山石級多，夜已深，請張司令早回。
張鎮仍舊不放心，令李介新和另一憲兵護送毛澤東到辦事處門口，見毛澤東安全入內，這才回去……
這一夜，周恩來和張鎮都沒有睡，雙方都在緊急調查著“李少石事件”真相。蔣介石從張治中、張鎮那裏得知此事，也十分著急。
據張醴泉回憶，他回到憲兵第三團團部，馬上召集了上清寺到沙坪壩沿公路線的憲兵隊長、區隊長和分隊長等來團部緊急彙報。其中駐化龍橋的憲兵隊長汪雲集報告了重要線索，據他手下的憲兵報告，傍晚在紅岩嘴六號靠近嘉陵江岸方向，曾聽到一聲槍響。於是，張醴泉抓住這一線索，加以追查。他組織了“專查組”（中共則習慣於稱“專案組”），連夜趕往現場偵查……
這時，周恩來讓毛澤東休息，他自己則在紅岩第十八集團軍駐渝辦事處連夜召集機要人員會議，分析情況。由於事出突然，情況不明，會上占壓倒性的意見認為這是蔣介石密謀的政治性暗殺事件，暗殺的對象是毛澤東和周恩來。大家之所以把周恩來列為對象的原因，如前所說，乃是考慮到李少石長得像周恩來——因為李少石並非中共領袖，似乎不可能去暗殺他。
會上，有一年輕人獨持異議。他提出了一個疑問：“我有一點不清楚，為什麼事情發生之後，我們的司機就自己跑了？”
此言一出，遭到很多人的批評，說他的敵情觀念太淡薄，警惕性太差。
唯有周恩來聽了進去，說道：“這話有道理！”
見周恩來這麼一說，那位年輕人也就繼續說下去。他說，重慶的很多司機喜歡開快車，會不會是那位司機開快車，出了車禍，撞了國民黨的兵，遭到槍擊？正因為這樣，那司機才會自己跑了！
周恩來聽著，連連點頭。
周恩來決定，也派出自己的機要人員，進行調查。
周恩來派出第十八集團軍駐渝辦事處處長錢之光，連夜到曾家岩車庫查驗了那輛車，查明彈孔的位置，查問司機熊國華的去向……
國民黨的憲兵，騎著摩托車，行動甚快。