천안함 피격후 천안함이 침몰되자 함장인 최원일 중령은 함장실에 갇혔다. 이 상황에서 부장 김덕일 소령, 작전관 박연수 대위 등 부하장교들이 함장실 문을 부수고 들어가서 최원일 함장을 구출했다. 함장실을 빠져나온 함장은 남은 승조원들을 이용해 구출조를 편성, 침몰하지 않고 떠 있던 함수 여러 곳을 수색해 함수에 남아 있던 승조원 59명 중 1명을 제외한 58명을 구출, 함 외로 올라와 구조를 기다렸다. 이후 도착한 해경 경비정에 차례로 승함, 함장이 마지막으로 퇴함하면서 이 때까지 살아 남아있던 승조원 전원이 구조되었다.
국방부는, 사건당일부터, 실종된 함미(배의 뒷부분)의 위치를 찾기위해 수색을 펼쳤다, 하지만 그 시도가 실패하여, 해경과 지역 어선단의 도움을 요청했고, 해경은 사건 다음날인 27일 소나를 이용, 함미로 추정되는 물체를 식별하여, 해군에게 보고를 했다. 하지만 해군은 어떤 이유에서인지 이 보고를 무시한 채 다음날, 28일 어선의 음파탐지기에 탐지된 해경이 식별한 것과 동일한 위치에서의 보고를 받고, 그제서야 출동을 하게 되었다.
이는 당시 생존자가 있을 가능성을 거론하면서, 최소 69시간 이내에 함미를 찾아야 한다고 했던 당시 국방부의 입장과도 정면 배치되는 행동이었다. 당연히 언론들은 그 이유를 알고자 했으나, 국방부에서는 해경이 해군측에 함미좌표를 전달했다는 내용의 사실조차도 증명해 줄 수 없다고 했다.
이는 천안함 사태에 두고 두고 의혹거리가 되었다.
해군 해난구조대, 해군 UDT/SEAL, 육군 특전사, 및 중앙 119 특수구조대의 잠수요원들도 수중 수색,구조 작업에 투입되었다.
104명의 승무원 중 58명이 당일 구조되었으나, 46명은 그날 구조되지 못했고 떠내려온 시신도 보이지 않았다.
3월 30일에는 실종자들을 끝까지 구하려다 무리한 잠수를 했던 해군 특수전 여단 소속 한주호 준위가 결국 잠수병으로 사망하고 말았다. 이에 관해 충무무공 대한민국 훈장이 추서되었다. 한주호 준위에 대해 훈장 수여 외에 소위로 1계급 특진 제안이 왔는데, 여론이 이를 두고 무지한 처사라고 비난한 바 있다. 계급은 분명 소위가 높고 법적으로 같은 위관급 장교의 대우를 받으나, 준사관은 부사관이 신분전환하여 올라가는 자리인 만큼 "부사관의 별"과 같은 위치에 있는 계급이라 소위보다 그 무게가 훨씬 크기 때문. 다만, 전사 및 순직자에 대한 특진에 의한 진급 자체가 불가능한 것은 아니기에, 절차적으로 물어보는 것 자체는 맞다. 이 제안은 유가족들이 사양하여 일단락되었다. 그리고, 그의 희생정신과 위국헌신 정신은 이후 초등학교 교과서에 실리게 되었다.
한주호 준위의 사망장소에 대해서 의문이 제기되고 있는데, 천안함 함수에서 작업 중 사망한 것이라는 정부 발표의 구체적 자료나 증언들이 서로 엇갈리고 있기 때문이다. 해도, 국방부 백서, 함수 구조 책임자였던 권영대 UDT대대장의 증언이 다 달랐던 것이다. 이에 따라 정확한 사고지점에 대해서도 의혹이 제기되고 있다. KBS가 보도했던 제3의 부표지점 설에 대해서도 정확한 확인이 이루어지지 않고 있었다.
4월 3일, 실종자 46명 중 한 명인 남기훈 중사의 시신이 함미에서 발견되었으며, 같은 날 천안함 수색을 돕고 있던 민간어선 금양호가 수색을 마치고 조업지로 되돌아가던 중 인근 해역을 지나던 상선과 충돌하여 침몰, 9명이 실종되는 사고가 일어났다. 또한 구조기간중 4월 15일과 17일, 초계임무로 출격한 해군의 링스 헬기가 각각 전남 진도와 서해 소청도 부근에 한대씩 추락하여 총 3명이 사망하는 사고가 발생하였다.
이후 나머지 실종자 44명 중 4월 15일 인양된 천안함의 함미에서 36명이 시신으로 발견되었다. 인양 과정은 TV를 통해 전국에 보도되었다.
침몰 29일째인 4월 24일에는 함수가 인양되었으며, 추가로 1명의 시신이 발견되었고 연돌에서도 1명이 발견되었다.
4월 29일, 평택 2함대사령부와 대전 현충원에서 천안함 희생 장병 46명의 영결식이 엄수되었다. 사망자와 실종자는 모두 1계급 특진과 화랑무공훈장이 수여되었다. 시신을 찾지 못한 산화한 용사 6명은 유품을 태워 안장되었다. 해군에서는 전사자들에게 취할 수 있는 최고의 영예인 해군장으로 장례식을 치렀으며 당시 항구에 정박하던 수많은 함정 승조원들은 대함경례로 최고의 예의를 갖춰서 고인들을 보냈다.
민군 합동조사단은 국내 10개 전문기관의 전문가 25명과 군 전문가 22명, 국회추천 전문위원 3명, 미국∙호주∙영국∙스웨덴 등 4개국 전문가 24명이 참여하였다.
4월 15일 천안함의 함미가 인양되었고, 민군 합동 조사단은 인양 다음 날인 4월 16일에 외부 폭발 가능성이 높다는 1차 조사 결과를 발표했다.
4월 24일 함수 인양 결과 오른쪽이 6m 가량 더 유실되었다는 사실이 밝혀졌으며, 민군합동조사단은 수중 비접촉 폭발로 인해 천안함이 침몰하였다는 결론을 발표하였다.