1963年4月10日10时58分，为执行深潜测试的“长尾鲨”号核潜艇进行保障的潜艇救援舰“云雀”号舰长舰长斯坦利·W·赫克少校使用无线电向新伦敦潜艇基地报告：“自9时17分开始，无法与‘长尾鲨’号取得联络……我舰位置：北纬41~43°、西经64~57°，正在扩大搜索范围。”

　　13时37分，大西洋舰队副司令华莱士·比克利中将命令核潜艇“海狼”号、柴电潜艇“似深海鲑”号，潜艇救援船“太阳鸟”号、打捞船“复原”号和一架巡逻机迅速出动前往“长尾鲨”号失事的海域。随后，“诺福克”号驱逐领舰也加入了搜寻。

　　4月10日19时54分，“复原”号打捞船发现了一大片油污，伴随着零星的软木和沉重的黄色塑料构件，因此确认“长尾鲨”号应该已经失事。20时整，五角大楼发布公告“‘长尾鲨’号已经失联并推定为失踪，已通知艇员家属。”

　　21时30分，五角大楼召开记者会，海军作战部部长安德森上将表示：“如果潜艇在深达8400英尺的水中沉没，救援将无法完成。”

　　4月10日晚至4月11日上午，在科德角以东220海里的大西洋上已经集结起了一支颇具规模的搜救舰队。除了先期赶到的“诺福克”号驱逐领舰、“云雀”号潜艇救援舰、“复原”号打捞舰、“海狼”号核潜艇、“似深海鲑”号常规潜艇外，驱逐领舰“亚内尔”号，驱逐舰“华莱士·L·林德”号于4月10日夜加入搜救；驱逐舰“布兰迪”号、“塞缪尔·B·罗伯茨”号、“沃灵顿”号、“沙利文”号，潜艇救援舰“太阳鸟”号和属于伍兹·霍尔海洋研究所的海洋调查船“亚特兰蒂斯II”号于4月11日上午陆续赶到，搜救舰队由舰队油轮“沃卡莫”号提供补给，由大西洋舰队潜艇司令部副司令劳森·P·拉姆齐少将统一指挥。

　　4月13日至4月15日，美国海军海洋调查和救援船“阿勒格尼”号、“链”号、“康拉德”号、“吉利斯”号、“卡皮斯特拉诺传道所”号、“普雷沃”号、“必须”号和“罗克韦尔”号陆续前来增援“亚特兰蒂斯II”号。

　　至6月中旬，搜索舰队打捞起部分疑似“长尾鲨”号上的可疑物品，通过海底测扫并拍摄了500多张水下照片，但通过判定和研读都无法直接确定这些东西和“长尾鲨”号有关。

　　鉴于“长尾鲨”号沉没在8400英尺深的海底，这个深度已经超过了绝大多数救援设备和潜水器的极限潜深，但只有深潜器“的里雅斯特”号是个例外。这艘深潜器曾经在1960年1月在马里亚纳海沟创造了下潜深度35800英尺的世界纪录，8400英尺对“的里雅斯特”号来说是小菜一碟。

　　1963年4月24日，“的里雅斯特”号深潜器在圣迭戈被小心翼翼地装上了美国海军船坞运输舰“蔑视角”号，然后这艘庞大的军舰载着“的里雅斯特”号经过巴拿马运河，于4月26日抵达波士顿，相关人员将“的里雅斯特”号卸载后，开始将深潜器恢复至可用状态，随后在5月5日在艇长唐纳德·克奇少校的指挥下在距离波士顿港60海里的海域进行了一次下潜测试，下潜深度702英尺，然后被拖回波士顿港24小时待命。

　　5月30日，海军宣布：“正在制定计划让‘的里雅斯特’号尽快出动——”然后气象专家根据6月的天气情况预订“的里雅斯特”号出动的日子是6月10日，但不久计划就在6月1日被宣布叫停，因为那个时候搜索舰队发现的所有残骸和照片经过判定都和“长尾鲨”号无关。

　　6月19日，美国海军宣布“的里雅斯特”号将进行“试探性潜水”，其将在搜索舰队发现大量“水下杂物”的海域下潜，希望找到“长尾鲨”号的残骸。

　　6月23日上午，“的里雅斯特”号被打捞舰“保护”号拖曳，在船坞登陆舰“斯内林堡”号的护航下抵达搜索海域。

　　6月24日早晨，艇长克奇少校和担任观察员的圣迭戈海军电子实验室科学家肯尼斯·麦肯齐被送上“的里雅斯特”号，因突发故障难以下潜，一直折腾到10时35分才开始下潜——

　　1小时25分钟后12时整，“的里雅斯特”号浮出水面并报告：“未能发现任何关键性事物。”不过，现场的指挥官弗兰克·安德鲁斯上校却对“的里雅斯特”号第一次下潜的表现表示满意。

　　6月26日上午，“的里雅斯特”号开始第二次下潜，这次负责操纵潜艇的从克奇少校换成了副艇长乔治·马丁上尉，麦肯齐依旧担任观察员，此次下潜预定时间为6个小时，其中海底作业时间4个小时，下潜和上浮各1小时，这是卡着“的里雅斯特”号自持力的极限算的时间。

　　但是这次下潜依然没有找到任何可以证明是“长尾鲨”号的残骸，在快到极限下潜时间前，马丁只能操纵深潜器上浮。

　　6月27日的第三次深潜作业由克奇少校操纵潜艇，这次他们很幸运，在海底发现了一只黄色的橡胶鞋套，鞋套上有清晰的“SSN”字样，右边的一串数字中第一个被辨认出是“5”，后面的数字因为折叠而无法辨认，此外还在海底发现了大量的纸张和其它碎片。这次的发现让搜索人员感到兴奋，安德鲁斯上校谨慎的认为这个鞋套可能来自“长尾鲨”号。

　　6月29日，“的里雅斯特”号在马丁上尉的操作下带着麦肯齐和第二名观察员尤金·J·卡什少校第四次下潜，这次下潜在发现手套的海底又发现的大量的纸张以及鞋套，另外还发现了两个不像是自然形成的大坑。当“的里雅斯特”号携带拍摄的海底照片浮出水面后，安德鲁斯上校经过判读认为这两个大坑显然不是自然形成的，通常情况下是由一个物体以巨大的力量撞击海底形成的。

　　6月30日，安德鲁斯上校亲自登上深潜器，由克奇少校操作，和麦肯齐一起下潜，但这次下潜很不顺利，很快就遭遇的罗盘故障导致无法辨识水下方位而被迫上浮，修复故障后再度下潜，但这次水下能见度极差，观察窗外一片漆黑，只能上浮。

　　7月1日，“保护”号在“斯内林堡”号的护航下将“的里雅斯特”号拖回波士顿进行维修和检查，“阿勒格尼”号、“链”号、“康拉德”号、“卡皮斯特拉诺传道所”号、“普雷沃”号、“必须”号、“罗克韦尔”号和“亚特兰蒂斯II”号也陆续返航，只留下“吉利斯”号拖着“T-AGOR-11”号深海相机继续对相关区域海底进行搜索。

　　当“的里雅斯特”号正在波士顿维修的时候，“阿勒格尼”号、“链”号、“康拉德”号、“卡皮斯特拉诺传道所”号、“普雷沃”号、“必须”号、“罗克韦尔”号于7月7日至7月10日陆续返回“长尾鲨”号出事海域继续进行搜索。“阿勒格尼”号在搜索区域的海底总共投放了1441个信标以协助“的里雅斯特”号接下来的行动。而“吉利斯”号则加紧绘制海底地形图，给“的里雅斯特”号下一步行动提供参考。

　　8月15日，“保护”号拖曳着“的里雅斯特”号返回搜索海域，但由于天气持续不佳，一直等到8月23日那天才由克奇少校操艇、带着麦肯齐进行第六次下潜作业，但当天海中有冷水层导致下潜速度缓慢，再加上导航设备再度发生故障，使得下潜作业只持续了3小时15分钟（其中海底作业还不到1个小时），没有新的发现。

　　此后，随着台风“比尤拉”的逼近，“斯内林堡”号和“保护”号不得不拖着“的里雅斯特”号前往加拿大新斯科舍省的谢尔伯恩避风，留下“吉利斯”号坚守岗位。8月21日，当“吉利斯”号发来电报：“比尤拉”不会威胁搜索区域的船只。于是“斯内林堡”号和“保护”号又把“的里雅斯特”号拉回搜索海域。不过，他们被告知：接下来北大西洋将进入风暴频发的夏秋之交，搜索行动要加紧。

　　8月27日，“的里雅斯特”号进行了第七次潜水作业，在海底停留了3小时25分钟，依然一无所获。

　　8月28日的第八次潜水作业在海底停留了3小时40分钟，他们幸运的找到了“长尾鲨”号残骸所在的海底，克奇少校是这样形容当时的场景的——残骸“如同废车堆放场”，克奇随后操纵机械臂捞起了一根57英寸长的铜管，上面附着着一块金属板残片。经过鉴定，这段残骸来自“长尾鲨”号厨房空气过滤器的一部分，管子上清晰的印着SSN593的编号，这是“的里雅斯特”号捞起来的第一块确定属于“长尾鲨”号的残骸。

　　此外，麦肯齐还对一块标有吃水线标记的较大的金属片进行了拍摄，后被判定这是一块属于潜艇前部艇体或者后部艇体的艇壳金属板，因为吃水线一般都标记在艇首或者艇尾部位。

　　麦肯齐拍摄到的“长尾鲨”号带有吃水线日的第九次潜水作业在海底停留了4个小时，捞起一些橡胶垫片和一个生锈了的支架。还拍摄到了“长尾鲨”号的方向舵和艇首的声呐残骸。

　　9月1日的第十次潜水作业在海底停留了1小时40分钟，因为电池故障而被迫提前结束作业。之后因为天气原因没有再进行新的下潜作业，最终“保护”号拖曳着“的里雅斯特”号在“斯内林堡”号的陪同下于9月4日回到波士顿。当晚，安德鲁斯上校和克奇少校乘坐专机赶往华盛顿向肯尼迪总统汇报。9月5日中午，五角大楼公布消息：“‘长尾鲨’号的部分结构已经在海底被‘的里雅斯特’号深潜器发现，搜索作业告一段落，现场没有发现遇难者的遗骸。”在随后的记者会上，安德鲁斯上校和克奇少校展示了捞起来的金属管道以及麦肯齐拍摄的标有吃水线标记的船壳板的照片，以证明“长尾鲨”号被发现。

　　事后，安德鲁斯上校和克奇少校获得了海军嘉奖勋章，麦肯齐和指导搜索行动的麦克斯韦博士获得了高级平民成就奖。

　　1963年6月，美国海军部公开了调查委员会有关“长尾鲨”号核潜艇失事的调查结论：“

　　“海军深信最可能的原因是‘长尾鲨’号的海水系统的某个局部出了毛病，且很可能在机舱范围。潜艇周围的海水在巨大压力作用下涌入舱室时会造成猛烈的水雾。进入舱室的海水使输电网络失效且导致潜艇失去动力。‘长尾鲨’号航速下降之后开始下沉，片刻便超越它的临界深度，最后停在8400英尺深的海底上，最终潜艇艇壳受不了强大的水压而发生了内爆。”

　　至于为何会发生这种情况，有分析认为可能是当时疯狂的美苏军备竞赛，建造潜艇时采用了较快速便捷的方式，牺牲了质量管理，最终造成了悲剧性的后果。有一个实证似乎可以作为旁证：朴茨茅斯海军造船厂的一个参加过“长尾鲨”号建造的工人在“长尾鲨”号失事二十多年后向媒体透露：由于“长尾鲨”号的建造时程紧凑，导致很多管路的质量检测工作没有确实执行，工作人员仅仅检验了容易接近的接点，而被对象挡住的接点就不予检查。当时“长尾鲨”号有145个压载水舱管路接受检查，其中20个通过了简易的净力检查，但未通过昂贵耗时的超音波检查，其它还有几百处管路根本未进行超音波检查……