周恩來得訊，即和國民黨憲兵司令張鎮一起，驅車趕往市民醫院。當周恩來和張鎮趕到時，已是8時50分，晚了一步，李少石已於7時45分因流血過多而去世！
周恩來見到李少石遺體，淚如雨下。他不由得想起1925年8月20日廖仲愷在廣州國民黨中央黨部門口遭到槍擊而慘死的情景。周恩來泣道：「二十年前，在同樣的情況下，我看到你的岳父……到如今我又看到你這樣……」
周恩來馬上想及的是毛澤東的安全問題，他隨即對張鎮說：「請你協助辦兩件事。第一，詳細調查李少石遭害的原因，迅速弄清真相；第二，晚會結束後，你用你的車，並由你親自陪同，送毛澤東主席回紅巖村，絕對保證他的安全。」張鎮一口答應照辦。
周恩來和張鎮又匆匆趕回軍事委員會大禮堂。晚會仍在進行，毛澤東和張治中仍在看戲。
這時，周恩來和張鎮都忙著佈置緊急工作。周恩來在劇場旁的一間休息室裡，召集機要人員開緊急會議。據當時在場的石西民回憶，周恩來曾非常悲憤地說：「少石同志是為我而死！」石西民聽了周恩來這話，才想及李少石的外貌頗似周恩來，可能是國民黨特務欲暗害周恩來而誤殺了李少石。這表明「李少石事件」是一樁非常嚴重的政治性事件。
張鎮也處於高度緊張之中，因為他事先一無所知，而眼下除了知道死者是廖仲愷之婿外，仍不知那槍彈是誰射來的。他急忙把張治中叫出，告知這一突發事件。張治中懵了！
他從熱情洋溢的劇場，一下子跌進了冰水裡……
張治中和張鎮當即叫來在劇場負責警戒的國民黨憲兵第三團團長張醴泉，命他火速趕回第三團團部，調動憲兵，追查此案。
劇終人散，等候在門口的桂園警衛班長李介新卻遲遲不見「何先生」出來，頗為著急。可是，他沒有通行證，又無法入內。直至夜深11時，「何先生」才在張鎮的陪同下，走了出來。本來，毛澤東是坐蔣介石派來的專車，由李介新護送，這一回，卻忽然改坐張鎮的車，跟張鎮坐在一起。車前車後，還有幾輛憲兵三輪摩托車護送，可謂「前呼後擁」。李介新也就隨他們一起護送毛澤東。
車抵紅巖村，張鎮隨毛澤東下車，說：「我送毛先生到辦事處。」
毛澤東連聲說不必，上山石級多，夜已深，請張司令早回。
張鎮仍舊不放心，令李介新和另一憲兵護送毛澤東到辦事處門口，見毛澤東安全入內，這才回去……
這一夜，周恩來和張鎮都沒有睡，雙方都在緊急調查著「李少石事件」真相。蔣介石從張治中、張鎮那裡得知此事，也十分著急。
據張醴泉回憶，他回到憲兵第三團團部，馬上召集了上清寺到沙坪壩沿公路線的憲兵隊長、區隊長和分隊長等來團部緊急匯報。其中駐化龍橋的憲兵隊長汪雲集報告了重要線索，據他手下的憲兵報告，傍晚在紅巖嘴六號靠近嘉陵江岸方向，曾聽到一聲槍響。於是，張醴泉抓住這一線索，加以追查。他組織了「專查組」（中共則習慣於稱「專案組」），連夜趕往現場偵查……
這時，周恩來讓毛澤東休息，他自己則在紅巖第十八集團軍駐渝辦事處連夜召集機要人員會議，分析情況。由於事出突然，情況不明，會上佔壓倒性的意見認為這是蔣介石密謀的政治性暗殺事件，暗殺的對象是毛澤東和周恩來。大家之所以把周恩來列為對象的原因，如前所說，乃是考慮到李少石長得像周恩來——因為李少石並非中共領袖，似乎不可能去暗殺他。
會上，有一年輕人獨持異議。他提出了一個疑問：「我有一點不清楚，為什麼事情發生之後，我們的司機就自己跑了？」
此言一出，遭到很多人的批評，說他的敵情觀念太淡薄，警惕性太差。
唯有周恩來聽了進去，說道：「這話有道理！」
見周恩來這麼一說，那位年輕人也就繼續說下去。他說，重慶的很多司機喜歡開快車，會不會是那位司機開快車，出了車禍，撞了國民黨的兵，遭到槍擊？正因為這樣，那司機才會自己跑了！
周恩來聽著，連連點頭。
周恩來決定，也派出自己的機要人員，進行調查。
周恩來派出第十八集團軍駐渝辦事處處長錢之光，連夜到曾家巖車庫查驗了那輛車，查明彈孔的位置，查問司機熊國華的去向……
國民黨的憲兵，騎著摩托車，行動甚快。
夜裡2時，張醴泉在團部接到專查組組長盛先熙從小龍坎打來的電話：
本案案情已經查明，原來是駐壁炮兵團派到重慶請領冬服的一排人，因為沒有領到，仍又開回壁山，今夜駐在小龍坎松鶴樓樓上。據帶隊隊長說，他們從城內回來，過了化龍橋在靠近嘉陵江的公路上休息，恰遇一輛開進城的黑色小轎車把一個士兵撞傷倒地，在旁的男一個士兵喝令停車，汽車不但不停，反而加快速度開去。那個士兵一氣之下，就朝天打了一槍，那個受傷的士兵已送到小龍坎傳染病醫院醫治。開槍的那個士兵和步槍一枝、步槍子彈殼一個，現在均已查獲，請示如何處理。
那個被撞傷的士兵，名叫吳應堂，是彈藥一等兵。當時他正在公路邊小便，所以躲避不及。領隊的是中尉排長胡關台。開槍的不是吳應堂，因為他當時頭部受傷，不可能開槍。開槍的是下士班長田開福。
這樣，也就查明了真相：事情是由司機熊國華開車太快引起的，肇事後又不停車；但國民黨部隊不應舉槍就射，卻又誤傷並無責任的乘客李少石。
也就是說，國共雙方兩個傷亡者都是無辜的，責任在司機熊國華和開槍者田開福。這樣，「李少石事件」也就大體弄清了。
就在張醴泉打算向張鎮報告專查組的調查結果時，電話鈴聲響了。他以為是張鎮打來的，萬萬沒想到，耳機裡傳出來的竟是周恩來的聲音！
周恩來詢問調查情況，並說抓到兇犯應送到他那裡問話。張醴泉深知，倘若他把開槍者送到周恩來那裡，非要遭蔣介石的責罵不可。於是，他只得撒謊：「兇犯已經解送走了。」
放下耳機，張醴泉對周恩來辦事如此敏捷，頗為讚歎……
周恩來從張鎮那裡得知調查結果之後，也派人到現場進行調查，所得結論和國民黨方面一致。這樣，就排除了「政治性謀殺」的猜疑。
翌日早上，當毛澤東從紅巖進城時，仍由李介新護送。他發覺，今日不比往常，從紅巖到曾家巖桂園，沿途都有武裝憲兵警戒。那是張鎮下令，加強對毛澤東的保護。
《新華日報》對「李少石事件」接連進行了報道：
10月9日，即李少石遇害的翌日，當時周恩來尚未作出明確結論，就讓《新華日報》報道了他和張鎮去醫院探望李少石以及李少石已突然遇害的情況。
這一報道，迅速把李少石之死公之於眾，引起各方極大的關注。但是《新華日報》只作客觀報道，未對李少石之死的性質作結論。
10月10日，發表國民黨憲兵司令張鎮關於事件經過的談話。
10月11日，發表第十八集團軍駐渝辦事處處長錢之光關於事件經過的談話。
錢之光所談經過和張鎮一致。錢之光代表中共，表示了態度：
關於李少石之死，「是革命事業中的一個沉痛損失」；
關於司機熊國華，是他「肇禍後仍不停車」，「我們也當協同有關機關繼續尋覓，使其歸案」；
關於吳應堂，「我們願負擔他的醫藥療養費，如不幸因傷逝世，並願意負責予以殮葬」。
另外，周恩來還於同日中午去醫院探望了吳應堂。
這樣，一場突發的事件，經周恩來實事求是加以解決，平息了這場風波——倘若處理不當，「李少石事件」完全可能成為導火索，足以引發國共之間爆發一場劇鬥，將重慶談判以來國共和諧氣氛破壞殆盡……
李少石於同日安葬，毛澤東為他親筆題詞：「李少石同志是個好共產黨員，不幸遇難，永誌哀思！」
周恩來在李少石墓前講話：「這樣一個好同志的不幸死去，實在是很大的損失。」
至此，「李少石事件」畫上了句號。周恩來以高超的政治藝術，迅速而正確地處理了這一突然而來的嚴重事件。
據當事者劉昂1972年7月25日回憶，錢之光的談話稿是事先經毛澤東、周恩來審定的。
又據王炳南1973年3月9日回憶，周恩來「後來總結此事時常說：人不要有主觀主義，不要有成見，李少石一事就是很生動的例子」。
又據童小鵬回憶，周恩來曾認為，張鎮那天晚上護送毛澤東回紅巖，又很迅速、認真調查「李少石事件」，立了一功。周恩來後來多次對童小鵬說：「對張鎮在重慶談判時期這一功勞，一定不要忘記。」