После того как в 18.40 «Д-1» не ответила на вызов радиостанций в Полярном, радиограмма для нее повторялась несколько раз до 22.22. В 23.15 начальник штаба флота экстренно по радио приказал «Д-1» показать свое место и дал указание всем кораблям в море и постам СНиС постоянно вызывать лодку. Для прослушивания к полигону № 6 командующий флотом выслал подводную лодку «К-2». В 23.40 «Умба» с комбригом на борту вышла из Эйна-губы и направилась в полигон № 6.
Средства ЭПРОН флота были приведены в немедленную готовность. В 1.20 14 ноября для обследования полигона и побережья Мотовского залива были направлены два катера «малых охотника». В 1.44 туда же со спасательными средствами отправили сторожевой корабль «Туман». И, наконец, 2.22 в Мотовской залив для выяснения обстановки вышел эсминец «Стремительный», на борту которого находился командующий флотом контр-адмирал А. Г. Головко. Через два часа на поиски «Д-1» отправилась подводная лодка «Щ-402», а еще через три часа – «Д-3».
Всю ночь с 13 на 14 ноября в Мотовском заливе велись интенсивные поиски, в которых участвовали «Стремительный», «Туман», «Умба», катера-охотники и подводная лодка «К-1». В ходе поиска корабли освещали водную поверхность прожекторами, а «К-1» прослушивала море шумопеленгатором.
С 10.30 14 ноября два гидросамолета «МБР-2» обследовали Мотовский залив и его побережье. С рассветом был продолжен осмотр залива надводными кораблями. Около 10.00 в районе м. Шарапов корабли обнаружили большое масляное пятно, спасательный круг, мелкие деревянные обломки и изоляционную пробку. Глубина в этом месте составляла от 190 до 216 м, а предельная глубина погружения подводных лодок типа «Д» – 90 м.
К 14.00 в полигон № 6 прибыли два тральщика и сразу же приступили к тралению района, где было обнаружено масляное пятно. К вечеру к ним присоединились еще два тральщика и два рыболовных траулера. Траление выполнялось тралами Шульца без буйков, с удлиненными буксирами. Сторожевой корабль «Туман» работал с металлоискателем. При задевании трала за посторонний предмет, ставилась вешка и точно определялось место, после чего вызывался «Туман» для прослушивания. При обнаружении значительной массы металла «Туман» также ставил веху.
С 14 по 18 ноября в полигоне № 6 тральщики обнаружили четыре густых масляных пятна и различные обломки, которые впоследствии идентифицировали как принадлежавшие «Д-1». Тралы неоднократно (не менее пяти раз) задевали за посторонние предметы. В этих местах металлоискатели фиксировали присутствие большой массы металла. Основываясь на результатах поисковых мероприятий, проводившихся с 13 по 18 ноября 1940 г., и изучения поднятых обломков, 18 ноября Военный совет СФ направил наркому ВМФ СССР, адмиралу Н. Г. Кузнецову «Доклад о гибели ПЛ «Д-1» 13 ноября 1940 г.».
Командование флота выдвинуло сразу три возможные версии гибели лодки. Первая – о подрыве на дрейфующей мине – была сочтена ВС СФ маловероятной, т. к. взрыв мины мог быть хорошо виден с постов СНиС на м. Шарапов и Выев-Наволок. Кроме того, взрыв могли видеть и слышать на эсминцах «Гремящий» и «Стремительный», находившихся в тот день поблизости от «Д-1», в полигоне № 5. Тем не менее ни посты СНиС, ни корабли не зафиксировали никаких подводных взрывов.
Вторая версия – столкновение «Д-1» с каким-либо надводным кораблем была также не исключена, но в данном случае она отпадала. Дело в том, что в полигоне № 6 до 12.43 13 ноября находились эсминцы «Стремительный» и «Гремящий», которые еще до перехода туда «Д-1» ушли в полигон № 5. Торговые же суда в тот день, по наблюдениям постов СНиС и кораблей, в Мотовской залив не заходили. Таким образом, полигон № 6 был абсолютно пуст (если, конечно, исключить, что в данном квадрате оказалась неизвестная подводная лодка, что в итоге могло привести к столкновению).
Была выдвинута и третья версия гибели «Д-1» – провал лодки на глубину, превышающую предельную, из-за чего прочный корпус лодки мог не выдержать давления воды. Но командующий СФ решил, что эту версию «возможно исключить». Поводом для столь категоричного вывода была твердая уверенность А. Г. Головко в том, что «Д-1» прошла весь курс задач 2-й линии и готовилась к переходу в 1-ю линию, и, кроме того, «являлась на СФ одной из лучших».
Окончательно прояснить обстоятельства гибели «Д-1», как считал контр-адмирал А. Г. Головко, можно будет только после ее осмотра или поднятия с грунта. Но в своих мемуарах, изданных в 1960 г., А. Г. Головко писал: «Наиболее вероятным следовало предполагать роковую ошибку, допущенную командиром. Подводные лодки этого типа, принимая балласт, погружались довольно быстро. Скорее всего, Ельтищев не справился с управлением и не сумел удержать лодку хотя бы на предельной для нее глубине. А значит, “Д-1” раздавило давлением воды: щепки и пробка на поверхности подтверждали это».