В течение ноября 1941 г. неоднократно возобновлялись беседы представителей польского правительства с И.В. Сталиным, В.М. Молотовым и его заместителем А.Я. Вышинским, но советское руководство отрицало существование проблемы польских военнопленных. 3 декабря 1941 г. Сикорский передал Сталину в Москве составленный товарищами по плену список на 3843 польских офицера с указанием конкретных лагерей, где они содержались, и с новой просьбой об их освобождении. В январе 1942 г. польское правительство вновь повторило свою просьбу. На все обращения оно получало ответ, что все польские военнопленные отпущены по амнистии и их местонахождение неизвестно. В беседах с Сикорским и Андерсом Сталин высказал предположение, что они бежали в Маньчжурию. Эти отговорки невозможно было признать убедительными, и польское правительство в январе 1943 г. направило в Москву специальную комиссию, но и ей не удалось найти следы своих соотечественников.
Первыми о захоронениях польских офицеров в Катынском лесу Смоленской области узнали от местных жителей летом 1942 г. польские рабочие из команды «Тодт», занимавшиеся ремонтом железнодорожных путей. Они установили на этом месте два березовых креста. В феврале 1943 г. могилами заинтересовалась немецкая тайная полиция. 13 апреля 1943 г. радиостанции германского рейха передали в эфир сообщение об «обнаружении в окрестностях Смоленска могил польских офицеров, убитых ГПУ».
16 апреля 1943 г. Совинформбюро опубликовало опровержение. В нем сообщалось, что якобы польские военнопленные, которые находились на строительных работах западнее Смоленска, летом 1941 г. попали в руки к немцам и были ими расстреляны. Эта версия стала официальной, хотя время расстрела называлось по-разному.
17 апреля 1943 г. польское правительство в изгнании обратилось к Международному комитету Красного Креста с просьбой о посылке делегации под Смоленск для эксгумации трупов из захоронений. С аналогичным обращением выступило правительство Германии. МККК согласился содействовать в установлении истины при условии, что к нему обратятся все заинтересованные стороны, то есть и СССР. Однако сталинское руководство отказалось сделать это, обвинило Польшу в пособничестве фашистской Германии и расторгло дипломатические отношения с польским правительством.
В Катынском лесу с 29 марта по 7 июня 1943 г. (3 июня были засыпаны прежние могилы, 7 июня закончилось перезахоронение останков) велись работы по эксгумации трупов польских военнопленных, которые с 15 апреля практически осуществляла Техническая комиссия Польского Красного Креста под наблюдением немцев. Были вскрыты 7 могил полностью, восьмая — частично; доказано нахождение в могилах по немецким данным — 4123 трупа, по польским — 4243 трупа; большую часть из них (2730) удалось идентифицировать. Они были снабжены согласно списка жетонами и уложены по порядку. Обширная коллекция вещественных доказательств была передана немцам по их требованию (однако две копии детальных протоколов и часть вещественных доказательств полякам удалось сохранить, и они находятся в настоящее время в Кракове, сохранены также дневники и записки военнопленных, 20 из которых опубликованы).
В апреле 1943 г. для придания международного резонанса в Берлине была создана Международная комиссия по расследованию обстоятельств Катынского дела. В нее вошли эксперты из 12 европейских стран. 28–30 апреля комиссия провела работу по осмотру извлеченных из могил по выбору ее членов 9 трупов и подготовила судебно-медицинскую экспертизу, не беря на себя решение других вопросов, хотя ей была предоставлена возможность выслушать свидетелей и осмотреть вещественные доказательства. Венгерский профессор судебной медицины и криминологии Ф. Оршос выдвинул гипотезу, что расстрел имел место в 1940 г.
10 июня 1943 г. информбюро Германии опубликовало «Официальный материал по делу массового убийства в Катыни», в котором делался вывод о том, что в могилах обнаружены захоронения польских офицеров, расстрелянных в 1940 г. органами НКВД. Геббельсовская пропаганда широко использовала катынское злодеяние для «сохранения боевого духа» немецких солдат — и запугивания подобными перспективами в случае сдачи в плен.