洛克比空难发生后几个月，美国联邦调查局官员向贾斯旺特展示了一张部分被烧毁的手提箱的照片，他们相信那是贾斯旺特的手提箱，它是从洛克比空难残骸中找到的。贾斯旺特说：“他们问我是否还想要回这只手提箱，可我还要这只破手提箱做什么？我已经拥有生命和我的家人，我为什么还需要其他东西呢？”
空难发生以后，英国警方立刻展开调查。没过多久，失事飞机的两个黑匣子找到了，由8名专家组成的小组开始对它们记录的资料进行详细的分析和研究。一千多名科技人员紧张地对飞机残骸进行化验分析。灾难发生后不久，警方又有了决定性的突破，他们在离失事中心几英里的地方，发现了一个毁坏的箱子，调查突破：英国鉴证专家确认在洛克比发现的蓝色Babygro（婴儿连身套装品牌）碎片含有炸药，显示它被装在放了炸弹的手提箱内。部分蓝色Babygro的标签残存下来。苏格兰探员根据标签追溯至一批送往马耳他斯利玛一家服装店“玛丽屋”的Babygro。一周后，也就是12月28日，英国的一位洛克比空难调查负责人宣布：泛美航空公司103航班很可能是被恐怖分子放置的高爆可塑炸药炸毁的。这种高爆可塑炸药装有电子定时的双重起爆装置。
苏格兰公共调查法庭在审理空难时得知：一位母亲被发现抱着她的婴儿、两个朋友握着对方的手以及部分乘客紧握着十字架。埃克特医生告诉苏格兰警方，机师拇指上的明显痕迹间接显示，他在飞机坠落时仍紧握操纵杆及可能在着陆时仍然生存。有10名乘客永远无法确认。他们其中8人被分配到机翼上的经济客位，相信他们在机翼着地、爆炸前附在机翼结构上。在头等及商务客位的乘客中，最少有一人是美国中央情报局官员马可·甘农，一人是临时调任美国国防情报局的陆军官员查理斯·麦基少校，以及两名分配给他们其中一人的保镖。麦基少校当时正从贝鲁特回国，相信他在当地参与找寻被恐怖组织真主党挟持的美国人质的行动。“洛克比空难”导致注满燃油的机翼撞上地面爆炸，在舍伍德新月广场造成一个巨坑，而上面原本有几间房屋；另外有21间房屋因损毁严重而须拆卸。调查人员找寻左机翼，最后发现它已经在火球中消失。住在那些被气化了的房子里的人，只在巨坑深处留下数以千计家族照、圣诞卡与陶器的小碎片。飞机残骸遍布在一条142公里长的走廊地带上，面积达2188平方公里。
驾驶舱是在苏格兰村庄中一间小教堂旁边的田野着陆，里面发现机师、高级副机师及一名机舱服务员。一个苏格兰公共调查法庭后来得知，那名机舱服务员被一名农夫的妻子发现时仍然生存，但她在召唤到救援前死亡。检查验尸证据的法医威廉·G·埃克特医生向苏格兰警方表示：他相信机师及其他243名乘客在炸弹爆炸后而极可能在撞击时仍然生存。乘客当中无人有在爆炸中受伤的迹象。虽然遇难者可能已在30000英尺高空上因缺氧而失去知觉，鉴证人员相信他们可能在落到氧含较高的高度时重获知觉。
英国航空失事调查局的官方报告指出：虽然机上的爆炸相对地小，但在220英尺长的机身旁边却炸出了一个20平方英寸的洞，致使飞机的解体十分迅速。航空失事调查人员报告道，机鼻可能在炸弹引爆3秒后已跟主要机身分离。虽然飞机放下了氧气罩，没有证据显示飞机曾发出遇难呼号。由于爆炸已破坏飞行通讯中心，将飞行记录器的电力截断，因此即使机组人员对身边发生的事情作出反应，他们的行动并没有被记录下来。747客机的神经中心控制所有航行及通讯系统，位于驾驶舱下两层，和前货物舱只有一道隔板之隔。调查人员相信：爆炸力冲破这道隔板，冲击飞行控制线路，令机身的前面部分开始扭动、上下颠簸及偏航。这些突然而猛烈的移动将保护机身前段的加强带拍打向左面一排窗子，并令它开始脱离机身。与此同时，爆炸引起的冲击波打中机身后反弹回爆炸的方向，跟正在从爆炸中心发出的冲击波汇合，形成马赫波在机身中来回反弹，随着空气调节喉管传至整个机身，将机身断开。机身的前面部分脱离。乘客和机组人员被抛出冰冷的夜空。机身的主要部分连同部分仍然附在上面、被缚在座位上的乘客继续向前飞，直到机身跌至19000英尺、插水式垂直下坠为止。
据说美、英、联邦德国的情报机关和保安机关使用了包括卫星在内的多项高技术，对恐怖分子及他们的组织经济活动的场所用微波进行了千万次窃听，然后进行计算机的分析处理。时光飞逝。1991年11月14日，美英两国公布了调查结果，根据破获的一名利比亚特工人员的日记，认定利比亚航空公司驻马耳他办事处经理拉明·哈里法·费希迈和利比亚特工阿卜杜拉·巴塞特·阿里·迈格拉希涉嫌制造“洛克比空难”。美英两国要求利比亚政府逮捕这两人，并将他们引渡到美、英审讯。第二天，法国总统密特朗也宣布了1989年法国航空公司772次航班爆炸事件的调查结果，有四名利比亚人涉嫌此案。法国政府也随即向利比亚提出引渡要求。一个月后，利比亚政府表态，已经拘留了被美英两国指控为嫌疑犯的两名利比亚人，并对他们开始审讯；但拒绝美英两国政府引渡嫌疑犯的要求。利比亚领导人卡扎菲强硬地表示，利比亚政府与洛克比空难案没有关系。
美、英、法三国不依不饶。在1992年3月，三国就向联合国安理会提出一份决议草案，要求对利比亚实行武器禁运，禁止同利比亚进行空中商业航运。这年的11月，安理会通过决议，对利比亚实施全面制裁，以迫使它交出两名嫌疑犯。双方僵持了好多年。后来，阿拉伯联盟和非洲统一组织提出一项建议，在美、英之外的第三国，对两名嫌疑犯进行公开、公正的审判。美英两国与利比亚都接受了这一外交斡旋。可以说，利比亚政府是在国际社会的压力下，被迫同意交出了两名嫌疑人，但同时也提出对两人的审判必须在英美以外的第三国进行。1998年，美、英和荷兰同意在荷兰按苏格兰法律对两名被告进行审讯。
1999年4月，费希迈和迈格拉希被移交给联合国代表，并前往设在荷兰的苏格兰法庭受审。2001年1月，法庭判处迈格拉希无期徒刑，后来将刑期改为27年。费希迈被无罪释放。2003年8月，利比亚与美英达成协议，同意对洛克比事件遇难者家属支付总额约27亿美元的赔偿。平均每个死难者家属将得到1000万美元的赔偿。同年9月12日，联合国安理会以13票赞成、2票弃权的表决结果通过第1506号决议，决定解除联合国因1988年洛克比空难和1989年法国联航空难事件而对利比亚实施的长达15年的制裁。2004年2月26日，美国宣布取消对利比亚实施了长达23年的旅行禁令，允许利比亚在美国设立利益代表处。2009年8月20日，英国苏格兰司法部长麦卡斯基尔宣布释放因制造洛克比空难而在英国服刑的利比亚特工迈格拉希。
“洛克比空难”事件调查在随后两名被控放置炸弹的利比亚人的审讯中，法官接受苏格兰警方所提供的证据：那个装有爆炸品的棕色Samsonite硬手提箱，是马耳他航空航班KM180上另外托运的行李，由马耳他鲁卡机场运至法兰克福。它由KM180转至PA103A，再在希斯路机场转机。调查人员推算，那土制炸弹由280克至400克塑胶炸药（可能是塞姆汀，一种捷克制的强力炸药）、一枚电池和一个电子计时器组成，藏在一部东芝收音录音机（可能是型号RT-SF16）里。虽然找不到任何塑胶炸药，他们在炸弹所在行李集装箱的金属碎片上，发现太安和黑索金。太安和黑索金是塑胶炸药（包括塞姆汀）的成分。
英国鉴定专家从一颗在洛克比找到的10公厘粒子及中央情报局提供的资料：从塞内加尔恐怖分子手上找到一批类似计时器，鉴定出炸弹的计时装置。中央情报局的资料帮助调查人员追溯出那MST-13计时器的来源：一家位于苏黎世的瑞士生产商埃文·保利亚。人们在审讯中发现，保利亚在炸弹袭击前向一名利比亚情报官员售出20个这类计时器。这些计时器的可设定时间是1分钟至999小时。恐怖分子可能将引爆时间设定成让飞机在爱尔兰海消失，但当晚的强风令PA103迟了30分钟才飞越苏格兰北部上空而不是平时西面路线的爱尔兰上空。在陆地上空爆炸意味着调查人员可获得飞机残骸。数以百计的苏格兰警察在坠机地点进行地毯式搜索。他们接到的指令是：“如果那东西既不是在生长又不是块石头，拾起它。”辛勤的搜索终有回报：一小块纤维里藏有残余炸药的布碎将调查方向指向利比亚。
阿拉伯国家在洛克比问题上均反对针对利比亚的制裁，但多数都执行了安理会对利制裁的决议。利比亚阿拉伯航空公司的前保安主管阿卜杜拉·巴塞特·阿里·迈格拉希和他的助手拉明·哈里法·费希迈也于1991年为是次袭击而被控。费希迈于1988年12月21日在马耳他的机场工作，而那时迈格拉希探望他，并涉嫌使用假护照进入该国。
1998年，当数个阿拉伯及非洲国家开始无视联合国因空难而对利比亚实施的经济制裁，利比亚政府作出让步，同意在中立国进行审讯；经卡扎菲同意，在1999年4月5日将嫌犯移交苏格兰。中立地点位于荷兰，在前美国空军基地宰斯特营成立苏格兰法庭。根据英荷两国签订的协议，审讯期间苏格兰拥有该处地方的主权，在苏格兰法律下管治。在各方同意下，1998年8月，联合国制裁暂停（但非解除）。法庭设有一间审判室、一间监狱和为传媒、死难者家属而设的办公室。审讯其间，基地由苏格兰警察和狱警把守。审讯在2000年5月3日开始，共有三位法官：萨瑟兰、麦克林和高斯菲尔爵士，但没有陪审团，这是利比亚方面的条件。
法庭于2001年1月31日达成裁决。迈格拉希罪名成立，被判终身监禁，建议最少服刑20年。法庭没有解释为何在炸弹袭击当日迈格拉希身在马耳他或他何以使用假名往来不同地方，但他没有采取自辩，故很多人认为他的利益受损。费希迈被判罪名不成立，并在翌日回到利比亚的家。2002年3月14日迈格拉希的上诉被驳回。他被移送到位于苏格兰格拉斯哥的巴连尼监狱。据称：他在那里住在一个特别兴建的公寓式囚室，内有数个房间，狱方供他阿拉伯食品。他说自己是误判受害者，他的支持者视他为第271个洛克比受害人。
阿里·穆罕默德·麦格拉希，利比亚的情报官员，这位被英美两国认定制造了洛克比空难的元凶，身穿白衣捂着脸蹒跚登上驶向他家乡的飞机。此新闻，在这一天及之后一周里，成为国际各大媒体爆炒的头条新闻。因从那一刻起，首次被判终身监禁而后减判为27年刑期的麦格拉希，仅被关了八年半，就被苏格兰法院给放了，理由是：出于同情。嫌疑犯是苏格兰司法部长肯尼·麦卡斯基尔宣布释放的，这在全球引起轩然大波。官方、媒体、民间的口诛笔伐接踵而至：“你同情了恐怖分子，那谁来同情受害者呢？”据苏格兰地方法律规定：如医生认定囚犯的生命仅剩三个月或更短时间，则司法部门可基于“同情”释放当事囚犯。而对此款的应用，苏格兰其实也很严格：凡囚犯能活过三个月，哪怕只多一天，也不在此列。由三位医生于2009年8月10日联名出具的《麦格拉希体检报告》中写道：“麦格拉希患有晚期前列腺癌，于7月26日至8月3日，出现急剧恶化症状，有理由推断，他将活不过三个月。”可以说，作为洛克比空难元凶被释放的直接当事人，苏格兰司法部长肯尼·麦卡斯基尔受到的责难自然最多。美国联邦调查局局长罗伯特·斯万·穆勒三世，在写给他的信里，措辞严厉：你释放麦格拉希，是对“正义的亵渎和对感情的嘲弄”或“让全世界的恐怖分子都感到欣慰”。穆勒先生曾参与此空难的完整调查，且担任本案助理检察总长。穆勒还在此信中，披露一个令他耿耿于怀，又很惊爆的事实：尽管被关了八年半，但实际上，麦格拉希从来就没认过罪！既然没有认罪，缘何被判大刑？皆因证据确凿，罪名成立！而为搜集和调查这些证据，至少动用了2500多人，跨越三大洲、涉及六个国家，被誉为“20世纪最大规模的反恐司法调查”。套用穆勒先生的话说：“有人甚至为此付出了整个职业生涯。”2008年，美国国家地理频道制作了纪录片《洛克比空难调查》，再现了那个可怕夜晚的恐怖场景。
国际社会一直呼吁：要求上诉及让迈格拉希在一个穆斯林国家服刑。非洲联盟一个委员会批评迈格拉希定罪的基础。2002年6月，纳尔逊·曼德拉探望迈格拉希以示同情。2002年10月，据报告，利比亚政府为死难者提供27亿美元赔偿，约每人1000万美元。2003年8月15日，利比亚正式对袭击承认责任，尽管其声明显得似乎毫无悔意。一些人甚至认为利比亚政府承认责任不过是为解除制裁所做的例行公事，而不是真心认错。但2003年9月12日，联合国终止了对利比亚长达15年的制裁。
2003年11月24日，根据欧洲人权法要求，苏格兰最高法院将迈格拉希的最低刑期，即可接受假释前的最少服刑年期定为27年，由1999年的羁押开始计算。苏格兰检察总长哥连·博伊德在接触美国遇难者家属后随即提出上诉，宣称这刑期是“太宽大了”。
利比亚总理加尼姆2004年2月24日在英国广播公司第四台的访问中说：他的国家所提供的赔偿只是“和平的代价”，及用来保证联合国会解除制裁。当被问及利比亚是否不认错，他说“我同意”。他还说没有证据显示，他的国家跟1984年4月利比亚驻伦敦大使馆外警员被枪击的事件有关。但他的言论又在华盛顿及伦敦即时的巨大压力下而被卡塔尔菲收回。
2009年8月20日，英国苏格兰司法部门宣布，释放因制造洛克比空难惨案而正在英国服刑的利比亚特工迈格拉希，理由是他已被确认患有晚期前列腺癌，离生命终止最多只有三个月的时间。据美国媒体报道：迈格拉希在机场受到几千名青少年的欢迎。利比亚领导人卡扎菲的儿子赛义夫陪伴他离开飞机。美国总统奥巴马对此发表谈话：严厉批评英国苏格兰司法部门提前释放迈格拉希是一个“错误”，并且要求利比亚政府对获释后的迈格拉希实施软禁。
麦格拉希刚踏上家乡的土地就不仅受到热烈欢迎，当晚更受到了卡扎菲的接见。卡扎菲不减“狂人”本色，对麦格拉希说：“我跟我哥们儿，英国首相布朗，英国女王伊丽莎白，还有安德鲁王子都打过招呼了，他们都鼓励苏格兰政府克服障碍，迈出这具有历史意义的一步。”此情景经利比亚电视台播出后，迅速传遍全球。那狂人显然在吹牛：他也不太可能跟王室直接沟通，但他的这番狂言，彻底把英国首相布朗给搁进去了。布朗本是苏格兰人，却被卡扎菲称为哥们儿，英国人愤怒了：对于给苏格兰带来巨大伤痛的洛克比空难，政府难道就是这么处理吗？外界普遍评论，麦格拉希获释所隐藏的，实际和石油交易有关，即英国用一个犯人换回的是BP公司与利比亚签署价值几十亿英镑的石油开采合同。这消息一出，抗议示威的浪潮立刻席卷英美，人们打出标语：“勿拿鲜血换石油！”此时，洛克比空难刚刚过了20年祭。司法调查尘埃未定，交易内幕喧嚣又起，洛克比空难再度激起世界关注。而被判定活不过三个月的麦格拉希呢？按说死期早过了，可再没听到过他的确切消息。而开出体检报告的三位医生呢？没人知道他们是谁，身在何处。在公布的体检报告中，他们的名字却都被抹掉了。试想，世界上一定会有很多人希望麦格拉希能活着，因在得知即将获释那一刻，他在病床上的确留下了令人震惊的遗言：“我将在来日无多的有生之年，写下‘洛克比空难’的真相。而这一真相，也许可以告慰那270名死难者的冤魂。你们的痛苦，我已感同身受。”
英国石油公司曾否认它与利比亚政府的开采石油交易涉及政治因素。据有关报道称：英国政府早在两年前就已决定，释放洛克比空难凶手迈格拉希，以照顾英国的石油利益。英国司法部长斯特劳当时写信给苏格兰司法部长麦卡斯基尔，通知他英国政府决定把迈格拉希列入转移囚犯协议。斯特劳原本反对把迈格拉希列入有关协议，随着利比亚政府和英国石油公司就一个大规模开采石油的交易的谈判陷入僵局，斯特劳改变立场。迈格拉希最终没有在转移囚犯协议下获释，但麦卡斯基尔现在却基于人道立场，在2009年8月提前释放患末期前列腺癌的迈格拉希。英国政府坚称释放迈格拉希跟石油利益无关，不过，随着斯特劳写给麦卡斯基尔的信件曝光，他提前获释的真正原因再次令人起疑。斯特劳在2007年7月26日的信中，表示他同意不把迈格拉希列入囚犯转移协议。不过，利比亚跟英国石油公司谈判时坚持要把迈格拉希列入有关协议，斯特劳在2007年12月19日的另一封信中，改变立场。斯特劳曾驳斥有关报道，他说利比亚人清楚知道：作为判刑当局的苏格兰有权力否决任何人的申请，包括迈格拉希。他也强调迈格拉希并非在囚犯转移协议下获释，而是苏格兰当局以人道立场释放迈格拉希。