周恩来得讯，即和国民党宪兵司令张镇一起，驱车赶往市民医院。当周恩来和张镇赶到时，已是8时50分，晚了一步，李少石已于7时45分因流血过多而去世！
周恩来见到李少石遗体，泪如雨下。他不由得想起1925年8月20日廖仲恺在广州国民党中央党部门口遭到枪击而惨死的情景。周恩来泣道：“二十年前，在同样的情况下，我看到你的岳父……到如今我又看到你这样……”
周恩来马上想及的是毛泽东的安全问题，他随即对张镇说：“请你协助办两件事。第一，详细调查李少石遭害的原因，迅速弄清真相；第二，晚会结束后，你用你的车，并由你亲自陪同，送毛泽东主席回红岩村，绝对保证他的安全。”张镇一口答应照办。
周恩来和张镇又匆匆赶回军事委员会大礼堂。晚会仍在进行，毛泽东和张治中仍在看戏。
这时，周恩来和张镇都忙着布置紧急工作。周恩来在剧场旁的一间休息室里，召集机要人员开紧急会议。据当时在场的石西民回忆，周恩来曾非常悲愤地说：“少石同志是为我而死！”石西民听了周恩来这话，才想及李少石的外貌颇似周恩来，可能是国民党特务欲暗害周恩来而误杀了李少石。这表明“李少石事件”是一桩非常严重的政治性事件。
张镇也处于高度紧张之中，因为他事先一无所知，而眼下除了知道死者是廖仲恺之婿外，仍不知那枪弹是谁射来的。他急忙把张治中叫出，告知这一突发事件。张治中懵了！
他从热情洋溢的剧场，一下子跌进了冰水里……
张治中和张镇当即叫来在剧场负责警戒的国民党宪兵第三团团长张醴泉，命他火速赶回第三团团部，调动宪兵，追查此案。
剧终人散，等候在门口的桂园警卫班长李介新却迟迟不见“何先生”出来，颇为着急。可是，他没有通行证，又无法入内。直至夜深11时，“何先生”才在张镇的陪同下，走了出来。本来，毛泽东是坐蒋介石派来的专车，由李介新护送，这一回，却忽然改坐张镇的车，跟张镇坐在一起。车前车后，还有几辆宪兵三轮摩托车护送，可谓“前呼后拥”。李介新也就随他们一起护送毛泽东。
车抵红岩村，张镇随毛泽东下车，说：“我送毛先生到办事处。”
毛泽东连声说不必，上山石级多，夜已深，请张司令早回。
张镇仍旧不放心，令李介新和另一宪兵护送毛泽东到办事处门口，见毛泽东安全入内，这才回去……
这一夜，周恩来和张镇都没有睡，双方都在紧急调查着“李少石事件”真相。蒋介石从张治中、张镇那里得知此事，也十分着急。
据张醴泉回忆，他回到宪兵第三团团部，马上召集了上清寺到沙坪坝沿公路线的宪兵队长、区队长和分队长等来团部紧急汇报。其中驻化龙桥的宪兵队长汪云集报告了重要线索，据他手下的宪兵报告，傍晚在红岩嘴六号靠近嘉陵江岸方向，曾听到一声枪响。于是，张醴泉抓住这一线索，加以追查。他组织了“专查组”（中共则习惯于称“专案组”），连夜赶往现场侦查……
这时，周恩来让毛泽东休息，他自己则在红岩第十八集团军驻渝办事处连夜召集机要人员会议，分析情况。由于事出突然，情况不明，会上占压倒性的意见认为这是蒋介石密谋的政治性暗杀事件，暗杀的对象是毛泽东和周恩来。大家之所以把周恩来列为对象的原因，如前所说，乃是考虑到李少石长得像周恩来——因为李少石并非中共领袖，似乎不可能去暗杀他。
会上，有一年轻人独持异议。他提出了一个疑问：“我有一点不清楚，为什么事情发生之后，我们的司机就自己跑了？”
此言一出，遭到很多人的批评，说他的敌情观念太淡薄，警惕性太差。
唯有周恩来听了进去，说道：“这话有道理！”
见周恩来这么一说，那位年轻人也就继续说下去。他说，重庆的很多司机喜欢开快车，会不会是那位司机开快车，出了车祸，撞了国民党的兵，遭到枪击？正因为这样，那司机才会自己跑了！
周恩来听着，连连点头。
周恩来决定，也派出自己的机要人员，进行调查。
周恩来派出第十八集团军驻渝办事处处长钱之光，连夜到曾家岩车库查验了那辆车，查明弹孔的位置，查问司机熊国华的去向……
国民党的宪兵，骑着摩托车，行动甚快。
夜里2时，张醴泉在团部接到专查组组长盛先熙从小龙坎打来的电话：
本案案情已经查明，原来是驻壁炮兵团派到重庆请领冬服的一排人，因为没有领到，仍又开回壁山，今夜驻在小龙坎松鹤楼楼上。据带队队长说，他们从城内回来，过了化龙桥在靠近嘉陵江的公路上休息，恰遇一辆开进城的黑色小轿车把一个士兵撞伤倒地，在旁的男一个士兵喝令停车，汽车不但不停，反而加快速度开去。那个士兵一气之下，就朝天打了一枪，那个受伤的士兵已送到小龙坎传染病医院医治。开枪的那个士兵和步枪一枝、步枪子弹壳一个，现在均已查获，请示如何处理。
那个被撞伤的士兵，名叫吴应堂，是弹药一等兵。当时他正在公路边小便，所以躲避不及。领队的是中尉排长胡关台。开枪的不是吴应堂，因为他当时头部受伤，不可能开枪。开枪的是下士班长田开福。
这样，也就查明了真相：事情是由司机熊国华开车太快引起的，肇事后又不停车；但国民党部队不应举枪就射，却又误伤并无责任的乘客李少石。
也就是说，国共双方两个伤亡者都是无辜的，责任在司机熊国华和开枪者田开福。这样，“李少石事件”也就大体弄清了。
就在张醴泉打算向张镇报告专查组的调查结果时，电话铃声响了。他以为是张镇打来的，万万没想到，耳机里传出来的竟是周恩来的声音！
周恩来询问调查情况，并说抓到凶犯应送到他那里问话。张醴泉深知，倘若他把开枪者送到周恩来那里，非要遭蒋介石的责骂不可。于是，他只得撒谎：“凶犯已经解送走了。”
放下耳机，张醴泉对周恩来办事如此敏捷，颇为赞叹……
周恩来从张镇那里得知调查结果之后，也派人到现场进行调查，所得结论和国民党方面一致。这样，就排除了“政治性谋杀”的猜疑。
翌日早上，当毛泽东从红岩进城时，仍由李介新护送。他发觉，今日不比往常，从红岩到曾家岩桂园，沿途都有武装宪兵警戒。那是张镇下令，加强对毛泽东的保护。
《新华日报》对“李少石事件”接连进行了报道：
10月9日，即李少石遇害的翌日，当时周恩来尚未作出明确结论，就让《新华日报》报道了他和张镇去医院探望李少石以及李少石已突然遇害的情况。
这一报道，迅速把李少石之死公之于众，引起各方极大的关注。但是《新华日报》只作客观报道，未对李少石之死的性质作结论。
10月10日，发表国民党宪兵司令张镇关于事件经过的谈话。
10月11日，发表第十八集团军驻渝办事处处长钱之光关于事件经过的谈话。
钱之光所谈经过和张镇一致。钱之光代表中共，表示了态度：
关于李少石之死，“是革命事业中的一个沉痛损失”；
关于司机熊国华，是他“肇祸后仍不停车”，“我们也当协同有关机关继续寻觅，使其归案”；
关于吴应堂，“我们愿负担他的医药疗养费，如不幸因伤逝世，并愿意负责予以殓葬”。
另外，周恩来还于同日中午去医院探望了吴应堂。
这样，一场突发的事件，经周恩来实事求是加以解决，平息了这场风波——倘若处理不当，“李少石事件”完全可能成为导火索，足以引发国共之间爆发一场剧斗，将重庆谈判以来国共和谐气氛破坏殆尽……
李少石于同日安葬，毛泽东为他亲笔题词：“李少石同志是个好共产党员，不幸遇难，永志哀思！”
周恩来在李少石墓前讲话：“这样一个好同志的不幸死去，实在是很大的损失。”
至此，“李少石事件”画上了句号。周恩来以高超的政治艺术，迅速而正确地处理了这一突然而来的严重事件。
据当事者刘昂1972年7月25日回忆，钱之光的谈话稿是事先经毛泽东、周恩来审定的。
又据王炳南1973年3月9日回忆，周恩来“后来总结此事时常说：人不要有主观主义，不要有成见，李少石一事就是很生动的例子”。
又据童小鹏回忆，周恩来曾认为，张镇那天晚上护送毛泽东回红岩，又很迅速、认真调查“李少石事件”，立了一功。周恩来后来多次对童小鹏说：“对张镇在重庆谈判时期这一功劳，一定不要忘记。”