Уже после гибели линкора стало точно известно, что корабль спасти было нельзя. Это определили академические расчеты. Невозможно было спасти линкор, но многих людей — да. На борту «Новороссийска» находились семь адмиралов и около тридцати старших офицеров. Можно было бы задержать момент опрокидывания. Буксировка линкора на мелкое место, начатая где-то около двух ночи, когда уже был выровнен крен, привела к свободному перетеканию тысяч тонн воды с одного борта на другой, что в итоге приблизила момент опрокидывания.
Причиной трагедии линкора стал, очевидно, взрыв глубинной мины, оставшейся со времен Второй мировой войны. Я не верю в версию о диверсантах, так как воронка на месте взрыва на дне бухты эквивалентна взрыву заряда весом 1100—1200 кг взрывчатки. Диверсионные лодки не способны к перевозке такой массы груза».
Взрыв был такой сильный, что пробил насквозь — от днища до верхней палубы — весь многоэтажный бронированный корпус линкора, образовав в нем огромный пролом. Все самые страшные разрушения пришлись на наиболее густонаселенную часть линкора, где в носовых кубриках, расположенных на нескольких палубах-этажах, спокойно спали сотни матросов и старшин.
По оценке правительственной комиссии, при взрыве сразу же погибло не менее 150—170 человек, было ранено около 130. По данным совета ветеранов линкора, погибли 608 человек.
В то время объявлять траур, кроме как по случаю смерти вождей, у нас не было принято. Поэтому празднование и парад по случаю 7 ноября даже в одном, объятом горем, Севастополе никто отменить не решился, как и праздничную иллюминацию, и торжественное собрание с последующим концертом. Так они и прошли с мрачными членами правительственной комиссии в президиуме и весьма сдержанными аплодисментами в адрес артистов, которые в ходе концерта как могли старались избегать мажорного настроя. Лишь адмирал В.А. Андреев, сменивший Пархоменко на посту командующего флотом, в начале приема морского парада направился на катере к месту, где на грунте лежал «Новороссийск», и на глазах тысяч горожан, собравшихся на берегу, и тысяч моряков, стоявших на палубах кораблей, отдавая воинскую честь погибшим, обошел его и лишь тогда направился к кораблю парадного строя.
Решением Совета министров СССР расследование причин катастрофы было поручено специальной правительственной комиссии под председательством зампредсовмина В.А. Малышева. Комиссия с группой военных и гражданских специалистов, в качестве экспертов, прибыла в Севастополь уже к исходу 29 октября. Вместе с ними, несмотря на перенесенный инфаркт, по личной инициативе приехал и Адмирал Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецов, но смог принять участие в ее работе только как наблюдатель.
Комиссия начала свою работу с рассмотрения наиболее вероятной версии взрыва на линкоре: самопроизвольное возгорание и детонация артиллерийского боезапаса в погребе 1-й башни главного калибра, учитывая возможность халатности при его хранении или даже злого умысла. Следует также иметь в виду, что в ходе проводившейся частичной выгрузки боезапаса произошел взрыв одного из снарядов этого (еще итальянского) комплекта на стенке арсенала при невыясненных обстоятельствах. Тогда решили ускорить его замену на новые снаряды отечественного производства, спланировав после праздников окончательную выгрузку старых. Кроме того, как наиболее вероятная причина происшествия на линкоре она была названа и в докладе командования ЧФ, на что последовало указание Н.С. Хрущева: «Виновных — под суд!»
Первым подозреваемым стал Марченко, как командир дивизиона главного калибра, в чьем заведовании находился данный погреб. К счастью, кроме самого Марченко спаслись и несколько его подчиненных, с кем он уже после взрыва осматривал боезапас, и те подтвердили, что он был цел. Однако лишь после доклада водолазов, детально обследовавших пробоину и установивших, что взрыв был внешним, с него сняли все подозрения и даже выразили благодарность за грамотные действия по своевременному стопорению башен главного калибра, что исключило ухудшение ситуации при большом крене корабля.
Тогда начали выяснять, что же могло взорваться под кораблем: мина, торпеда, бомба или какой-либо снаряд? А также — почему линкор имел недостаточную живучесть и что привело его к переворачиванию? Пришлось привлечь военных и гражданских специалистов по кораблестроению и вооружению. Праздники, установленные сроки расследования и другие дела поджимали. Поэтому все торопились, работая круглосуточно, а строгая секретность расследования ограничивала круг привлекаемых специалистов.