由於案件的突發性，警察並沒有做好現場保護。在他們封鎖現場之前，帕爾梅倒下的地方以及周圍都被圍觀者踩踏了個夠嗆，而且封鎖範圍也太過狹小，後來找到的兩顆暗殺帕爾梅的子彈都是從封鎖範圍之外發現的。還有很重要的一點失誤，警察在到達現場後沒有第一時間向目擊證人詢問凶手相貌，然後驅車追趕，而是在幾個小時後才想起查詢並命令封鎖國門。這幾個小時足夠讓凶手遠走他方了，這點致命性錯誤延誤了破案的最佳時機。這也難怪，連帕爾梅都對瑞典的治安放心到不帶保安隨行，更何況是警察。
不過，天網恢恢，疏而不漏。雖然凶手在極短時間內作案並且逃之夭夭，但還是被過路人看到了。代爾斯博恩是個出租車司機，案發的時候他正在路邊算這一天的收入，槍聲響起的時候他下意識地扭頭看了下，在看到帕爾梅倒地的同時，也看到了一個急速離開的身影，那個人很可能就是凶手。警察接到的報案電話就是代爾斯博恩打去的，救護車也是他叫來的。
當代爾斯博恩打電話報警的時候，一位女畫家差點被迎麵疾馳而來的男子撞倒。這麼晚了，一個人如此匆匆跑過，這讓女畫家有些詫異，不過那個念頭隻是一閃而過，畢竟瑞典太安全了。隨後得知發生了槍殺案的女畫家將這個行色匆匆的男人報告給了警方，給警方提供寶貴的線索。根據女畫家後來的描述，這個男人大概30歲，黑發、黑衣。警察經過多方取證總算是搞清楚了凶手的一個大概輪廓，但具體什麼長相依舊是個未知數。之後，警方又從一目擊者處得知凶手逃跑時開的車是一輛藍色的“帕薩特”。
案件越來越難處理了，陷入困境的瑞典警方開始分析案件是否與恐怕組織有關。警方分析了十幾個國際恐怖組織，希望能從中找到一些線索，但結果是徒勞無功。不管是跟聯邦德國紅軍派有聯係的“霍爾格·邁因斯突擊隊”和“基督教克拉爾突擊隊”，還是駐紮在大馬士革的庫爾德工人黨，這些都被列入到了黑名單中，但最終又都被一一排除了嫌疑。
從得知首相被刺殺起，瑞典警方根據目擊者的描述，調動了所有能夠調動的力量在全國範圍內進行搜查。起初，警方檢查了200多輛帕薩特，先後拘捕了30多人，不過最終凶犯還是沒有蹤跡。
警方研究了現場找到的兩顆子彈後發現，那絕對不是他們所熟悉的槍彈，在他們的資料庫裏有500多種子彈，但沒有一種能跟現場找到的子彈相吻合。很快，瑞典警方將這兩顆子彈送往聯邦德國警察總部和美國聯邦調查局進行了技術檢查。