淩晨1時50分，256號飛機飛出國境，進入蒙古人民共和國境內。
為了毛澤東的安全，周恩來立即送他到人民大會堂北京廳暫住。
毛澤東要周恩來把在京的政治局委員召集到人民大會堂開會，他們到後，周恩來首先告訴他們，毛主席已於12日傍晚回到北京，接著向政治局委員們講了夜裏發生的事，說林彪坐飛機跑了，要大家做好應付萬一的準備，作了緊急戰備部署。為了毛澤東的安全和健康，他請毛澤東休息，不參加這次政治局會議。
這時又出現了新的情況。林立果的死黨周宇馳接到林立果要他北逃的命令後，立即同江騰蛟、王飛、魯瑉等撕毀原來準備南逃的人員名單和會議記錄。他自己夥同於新野、李偉信以執行任務為借口，竄到沙河機場劫持了一架直升機，攜帶大量機密文件和美元向北飛去。3點15分，沙河機場向中央報告。
周恩來得知後報告了毛澤東，毛澤東問：“又是哪幾個？”
周恩來說：“有周宇馳、於新野……”
這下毛澤東大為震怒，下令：“攔截回來，迫降，不聽就打下來！”
由於駕駛員陳修文發現了周宇馳等人的陰謀，機智地騙過他們，將飛機開回北京郊區上空，最後在懷柔縣境內降落。不畏強暴的陳修文同周宇馳等人進行了殊死的搏鬥，最後中彈身亡。周宇馳和於新野開槍自殺，李偉信被當地軍民捕獲。
深夜3時左右，根據毛澤東的指示，周恩來在人民大會堂主持召開中央政治局會議，宣布林彪叛逃事件，緊急布置了應變措施。他要求所有在京的政治局委員，一律集中到人民大會堂辦公。
9月14日中午，連續緊張工作了50多小時的周恩來，才有機會躺下。可電話鈴聲又響了，秘書隻好輕輕推醒他。外交部報告：剛剛接到駐蒙使館的一份電報。周恩來讓秘書念給他聽。
報告中說，林彪所乘的256號三叉戟飛機13日淩晨2點30分在蒙古溫都爾罕附近墜毀。機上八男一女全部死亡。
周恩來的疲倦一掃而光，大步向屋外走去，他對汪東興說：“得到了一個重要消息，你是不是馬上去報告毛主席。”
當汪東興將情況報告毛澤東時，毛澤東還有些疑惑：“這個消息可靠不可靠？
為什麼一定要在空地墜下來？是不是沒有油了？還是把飛機看錯了？”
汪東興回答：“飛機到底是什麼情況，現在不清楚，大使準備去實地勘察。
目前還不知道飛機是什麼原因墜落下來的。”
毛澤東又問：“飛機上有沒有活著的人？”
“這些情況都不清楚，還要待報。”
毛澤東的表情終於輕鬆一點。
林彪拋屍荒野，餘黨全部就擒
林彪叛逃後，周恩來立即給各大軍區打電話，回話最快的是許世友，他在電話中向周恩來保證：“報告總理，我已下令占領南京的全部機場，請總理放心。”
第二個表態的是心虛的廣州軍區司令員丁盛。丁盛不知周恩來在人民大會堂，電話仍然打到總理辦公室。那天正好是紀東值班，紀東接完電話，就電告在人民大會堂警衛周恩來的高振普，說：“不知怎麼搞的，丁盛在電話上說，我無限忠於毛主席鬧革命。”高振普將紀東的電話轉告周恩來，周恩來第一個反應就是，紀東已經知道這件事了。他當即讓高振普通知紀東搬到大會堂來住，以防消息外漏。
周恩來嚴守此項秘密，連鄧穎超也不讓知道。周恩來在人民大會堂一住就是好幾天，鄧穎超忍不住打電話來問，為什麼總不回去，她擔心的是周恩來的身體。她特意讓秘書提醒周恩來上廁所，不要忙起來就憋尿，搞垮了身體。這是有過教訓的。1961年，正是我國糧食困難時期，為了保證幹部不害浮腫病，周恩來決定從東北調一批大豆給中央機關司局級以上幹部補充營養，因而減少了大豆的出口量。當時一個東德的代表團團長同周恩來談判，非要增加對他們的大豆出口不可。雖經周恩來反複解釋，他們仍堅持多要，雙方爭論很久，周恩來憋著尿不停地說服他們。因為憋得太久，引起了尿中毒。以後查出周總理患了膀胱癌，不能不說與這些事有關。
周恩來在人民大會堂找吳法憲談話，要他彙報一下256號三叉戟飛機失事的情況。吳法憲心中害怕，吞吞吐吐，講不出個究竟，就推說不知道。周恩來嚴厲地批評他：“你到現在和黨還不是一條心。”
隨後，周恩來交給吳法憲一些照片，交代他到空軍找一些真正懂技術的人，對飛機失事原因進行詳細的研究。吳法憲回到空軍，就叫訓練部長王海牽頭，組織了一個專家班子，承擔研究任務。
就如何處理同林彪有密切關係的黃永勝、吳法憲、李作鵬、邱會作等人的問題，毛澤東對周恩來說：“看他們10天，叫他們坦白交代，爭取從寬處理。老同誌，允許犯錯誤，允許改正錯誤，交代好了就行。”
但是，黃永勝等人在10天裏既不揭發林彪的罪行，也不交代自己的問題，什麼都不坦白。10天後，毛澤東把汪東興找去，問：“黃永勝他們怎麼處理了？
你去問一問總理。”
汪東興趕到人民大會堂新疆廳，向周恩來作了彙報，說毛主席催問對黃永勝等人的處理情況。