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».