После первых допросов и медицинского осмотра в порядке досудебного разбирательства майор Троянов был помещен под домашний арест, большая часть которого была проведена в гостинице «Балатонас» г. Вильнюса.
В тот же день в связи с нарушением своего воздушного пространства МИД Литвы вручил посольству России ноту протеста. На фоне отсутствия достоверной и непротиворечивой информации о причинах происшествия международный скандал набирал обороты. Литовская сторона начала самостоятельное расследование. Соответствующую комиссию возглавил бригадный генерал Виталиюс Вайкшнорас.
Сразу после падения самолета место аварии было незамедлительно оцеплено сначала полицией, а затем военнослужащими. Среди обломков Су-27П довольно быстро были обнаружены бортовые самописцы, расшифровку записей которых Литва доверила украинским специалистам, допустив при этом присутствие российских официальных лиц.
Одновременно шли допросы Валерия Троянова. Первое время ему не давали возможности встретиться с представителями посольства России. Однако с 20 сентября все ограничения на общение летчика были сняты – в т.ч. и с прибывшими в Литву членами российской делегации военных экспертов во главе с начальником службы безопасности полетов авиации Вооруженных сил РФ генерал-майором Сергеем Байнетовым.
Не смотря на интенсивные поисковые работы на месте падения самолета, довольно долго продолжались поиски ракет «воздух-воздух». Последняя, четвертая, ракета была обнаружена только 24 сентября.
Учитывая отсутствие опыта расследования подобных ситуаций у литовской комиссии, можно считать, что она работала достаточно быстро и грамотно. Уже 4 октября ее выводы были обнародованы. По сравнению с более поздним заключением, сделанным по результатам расследования комиссией Министерства обороны России, литовские формулировки обобщенно-осторожны и дипломатичны, но по сути верны. В заключении, частично процитированном информагентством «Балтик Ньюс Сервис» (Baltic News Service), упоминаются и ошибки летчика в использовании навигационного оборудования, связанные с малым налетом в последние годы, и то, что «подготовка истребителя к полету была осуществлена в спешке и с нарушением установленной очередности работ, что могло повлиять на точность работы навигационного оборудования во время полета», и, кроме того, что «находящиеся в Калининградской области службы Балтийского флота, которые должны были следить за полетом самолета и обеспечить его безопасную посадку на одном из аэродромов Калининградской обл., работали халатно или недостаточно хорошо: наземные структуры не смогли контролировать ситуацию в воздухе».
На фоне скандального следствия по «делу Троянова» в Литве также шло и разбирательство со «своими». 26 сентября на основании сведений, представленных литовским спецслужбами, указом министра обороны Литвы был снят с должности командующего ВВС полковник Йонас Марцинкус – в прошлом летчик ВВС Советского Союза, закончивший Ейское ВВАУЛ и освоивший самолеты Су-7, Су-17, МиГ-23 и МиГ-27. Тут надо заметить, что заключение комиссии по расследованию не было обнародовано полностью. Оно содержало в себе секретную часть с 20 пунктами, связанными с недостатками системы ПВО
Литвы. Но все-таки главный для Троянова вывод, сделанный комиссией, заключал ся в том, что в его действиях не было провокационных намерений и случившееся стало следствием «совокупности технических, организационных и человеческих факторов». 6 октября прокуратура Литвы вынесла решение о прекращении досудебного расследования в отношении Троянова, подтвердив непреднамеренный характер нарушения им воздушного пространства Литвы. В тот же день Валерий Троянов вернулся в Россию.
В конце октября российской стороне были переданы и обломки самолета Су-27П, которые были перевезены в Калининградскую обл. Одновременно литовская сторона скрупулезно подсчитала нанесенный ей ущерб от падения на ее территории российского самолета, выразившийся в сумме 67062,88 лита (примерно 19,4 тыс. евро). 8 ноября соответствующая сумма была перечислена Литве Министерством обороны России.
В период разбирательства в Литве командующий ВВС и ПВО России генерал армии Владимир Михайлов высказывался о майоре Троянове в самом положительном ключе. Мол, «он тянет на героя, потому что проверил ПВО стран Балтии, и она оказалась никудышной». Однако по возвращению Валерия Троянова отношение к нему стало быстро меняться.