Június 1.
A Brazil Légierő öt repülőgéppel, két helikopterrel a Fernando de Noronha-szigetcsoportról valamint három hajóval, a Francia Haditengerészet három repülőgépe – kettő a partvédelmi és egy a tengerfelügyeleti alakulatoktól – a francia üzemeltetésű Dakar-Ouakam-i 160. légibázisról (Base aérienne 160) kiindulva kezdték meg a keresést. Segítésükre a haditengerészet is hajókat indított a térségbe. A dakari katonai repülőtér és a Fernando de Noronha-szigetcsoport közötti távolság megközelítőleg 2700 km, amit a keresésben részt vevő Atlantique 2 repülőgépek 4,5-5 óra alatt tesznek meg. A spanyol Csendőrség egy CASA CN–235-ös repülőgéppel vett részt a keresésben Cape Verdéről. A Brazil Légierő június 1-jén semmit nem talált, ezért az este leszálltával felfüggesztette a keresést, két gépük, egy infravörös kamerával felszerelt C–130 és egy szintetikus apertúrájú radarral felszerelt Embraer R–99B kivételével.

Franciaország az Egyesült Államok felderítő műholdjainak segítségét kérte, de az nem ismert, hogy a holdak ténylegesen besegítettek-e a keresésbe. A ballisztikus rakéták indítását infravörös tartományban figyelő Defense Support Program műholdai észlelhették a szabadon égő kerozint, a Lacrosse műholdak pedig rádiólokátorukkal felfedezhetik a a gép még felszínen lévő roncsdarabokat. A rádióelektronikai felderítő holdak adatainak elemzése pedig a repülőgép senki által nem érzékelt esetleges rádióforgalmazását fedheti fel.

A katasztrófa feltételezett időpontja után néhány, a környéken járó repülő és hajó látott a lehetséges katasztrófára utaló jeleket. A TAM Linhas Aéreas egy repülőgépének személyzete narancsszínű pontokat vélt látni az óceán felszínén, melyeket okozhatott a tengerfelszínen égő kerozin is, egy francia teherhajó, a Douce France pedig a TAM repülőgép által megjelölt helyszín közelében a felszínen sodródó roncsokat látott.

Június 2.
Másnap, június 2-án a Francia Haditengerészet két hajója, a Foudre partraszállító hajó és a Ventôse fregatt a feltételezett lezuhanás körzetébe indultak, majd csak a hét második felében érkeztek meg a területre (a Ventôse legkorábban szombaton érkezik a kutatózónába). A felszíni kutatáshoz később a csatlakozott egy francia és két holland kereskedelmi hajó is. Brazil bejelentés szerint kora délután felszínen sodródó roncsdarabokat, többek között repülőgép-üléseket és egy mentőmellényt találtak a Fernando de Noronha-szigetcsoporttól 720 kilométerre északkeletre, a repülőgép tervezett útvonalától 80 kilométerre keletre. A roncsok mintegy 60 kilométerre voltak egymástól,[13][14] de azt később cáfolták, hogy az Airbushoz tartoztak.[15] Ezek a roncsok még nem azonosíthatták egyértelműen a repülőgépet, azonban a keresési területet nagyban konkretizálták. Az előzetes tervek szerint magyar idő szerint (CEST) 17:00-kor a Francia Légierő egyik E–3 Sentry légtérellenőrző repülőgépe szállt volna fel, amely előbb a dakari repülőtérre települ, majd onnan végez koordinálási repülőfeladatokat és az Airbus „fekete dobozainak” rádiójeleit próbálja meg felfogni. Az indulás azonban némi késést szenvedett, így csak kedd éjszaka indult útnak. Az áttelepülésben egy légi utántöltésre átszerelt C–135FR segítette. Így a francia katonai repülőgépek száma ötre nőtt a térségben, a tengerészet korábbi két Atlantique 2-esével és egy Falcon 50-esével. Az Amerikai Haditengerészet is rendelkezésre bocsátott egy P–3C Orion-t, mely Salvadorban állomásozott, és eredetileg a kábítószercsempészek ellen alkalmazták.[16] A kutatási munkálatok igen rossz időjárási körülmények között zajlanak, amit a fejlett avionikájú repülőeszközök alkalmazásával igyekeznek leküzdeni.

Még ezen a napon a térségbe indult a Pourquoi pas? (jelentése Miért ne?) nevű francia polgári-katonai kutatóhajó, melynek kistengeralattjárói 6000 méteres mélységig képesek lemerülni. Az Atlanti-óceán érintett területén körülbelül 4700 méter a legnagyobb mélység.

Június 3.
A Brazil Haditengerészet Grajaú korvettje elérte a repülőgép roncsainak megtalálási helyét. Brazília összesen öt hadihajót küldött a térségbe, a Constituição fregatt és a Caboclo korvett június 4-én ért a területre, a Bosísio fregatt 6-án, az Almirante Gastão Motta tanker 7-én. Lokalizálták és behatárolták a területet, ami egy 5 km-es sávban Brazíliától körülbelül 1300 km-re található. A roncsok MAD-mérések (mágneses anomália detektor) szerint 5-6 ezer méteres mélységben vannak. Alain Bouillard balesetvizsgáló sajtótájékoztatón bejelentette, hogy az időközben kiértékelt, repülőgépről érkező telemetriai adatok szerint kifogástalan műszaki állapotban szállt fel a Rio-i repülőtérről, azonban később már a pilótafülke egyes műszereinek jegesedését mutató adatokat közölt a fedélzeti rendszer az irányítótoronnyal.

A vízfelszínen újabb roncsdarabokat találtak, többek között valószínűleg a repülőgéptörzs oldalának egy 7 méteres darabját, a kedden talált roncsoktól 90 kilométerre délre.[18] Június 5-én az összes addig talált roncsról közölték, hogy nem az eltűnt repülőgéphez tartoznak, majd 6-án ezt visszavonták.

A francia vezérkar szóvivője – Christophe Prazuck fregattkapitány (Capitaine de frégate) – szerint a tenger mélyén lévő roncsokat fel kell hozni a felszínre és ki kell elemezni, hogy valóban a lezuhant gépét találták-e meg. A francia kormány bejelentette, hogy az áldozatok hozzátartozóit az állam költségén szállítják a helyszínre, hogy leróják kegyeletüket.

A párizsi Notre Dame-ban ökumenikus gyászszertartást tartottak az áldozatokért és a túlélőkért. A szertartáson római katolikus, protestáns, ortodox keresztény, zsidó, és muszlim papok is részt vettek. A székesegyházba a családtagokon kívül csak az Air France légitársaság alkalmazottait engedték be. A szertartás kezdetén André Vingt-Trois bíboros, párizsi érsek olvasta fel azt az üzenetet, amelyben XVI. Benedek pápa mély együttérzését fejezte ki a katasztrófában elhunytak családjainak. A magyar hozzátartozókkal a Külügyminisztérium folyamatos kapcsolatban áll, közölte Mátrai Zsuzsanna külügyi szóvivő.

Június 4.
A brazil védelmi miniszter – Nelson Jobim – 4-e hajnali sajtótájékoztatóján az eddigi adatok szerint kizártnak tartja a gép levegőbeni felrobbanását, az egyben zuhant az óceánba, amit a vízfelszínen látható kerozinfoltokkal támasztott alá. Felrobbanás után ezek elégtek volna, illetve a felszínen is égnének, vagy nem lennének láthatóak. Megérkezett a brazil Constituição és a Caboclo is a kutatózónába. Ha megtalálják a repülési adatrögzítőket, azok kielemése csak a Pourquoi pas ? beérkezése után kezdődhet meg, annak tengeralattjáróival. A francia polgári-katonai kutatóhajó a jövő hét elején érkezik meg a helyszínre.

Június 5.
A Francia Haditengerészet a térségbe vezényelte az SNA Emeraude Rubis-osztályú atommeghajtású vadász-tengeralattjáróját, mely a tervek szerint a fekete dobozok megtalálásában fog segíteni.

Június 6
Kora reggel két férfi utas holttestét megtalálták a brazil kutatóalakulatok kb. 670 km-re északkeletre a Fernando de Noronha-szigetcsoporttól. A sziget Brazília partjaitól 355 km-re északkeletre fekszik. Az egyik utas egy kék repülőgépülésbe volt szíjazva. Az ülésen talált sorozatszám egyezett a gép számával. Más tárgyak is előkerültek, úgymint egy kézitáska, benne egy beszállókártya, egy laptop, több oxigénmaszk, hátizsák.[20] Az Air France megerősítette, hogy a jegy az eltűnt járatra szólt.[21] A jelentés szerint ezeken kívül még más roncsdarabok is úsznak a vizen, ezek feltételezhetően a lezuhant géphez tartoztak.

Június 7.
A keresőalakulatok további 14 holttestet és rengeteg személyes tárgyat találtak körülbelül 70 kilométerre attól a helytől, ahonnan a repülőgép az utolsó automata üzenetet küldte. Az utasok személyazonossága egyelőre ismeretlen, ugyanis semmilyen azonosító irat nem volt náluk. Ezeken kívül újabb testeket is láttak, melyekért hajók indultak.

Június 7-e után
A kutatás során megtalálták a gép függőleges vezérsíkjának egy nagyobb darabját ill. további holttestek kerültek elő.[23] Az elsőként megtalált holttesteket a hajókról a Fernando de Noronha-szigetekre, onnan pedig a brazíliai Recife városába szállítják. Itt kísérletet tesznek azonosításukra, majd részletes vizsgálatnak vetik alá őket. A brazil haditengerészet szóvivője közölte, hogy a keresést mindaddig folytatják, míg remény van újabb holttestek és roncsdarabok kiemelésére. de jún. 19-e előtt nem hagyják abba, utána pedig két naponként felülvizsgálják hogy folytatják-e. A tervek szerint a keresést legfeljebb jún. 25-ig folytatják. A keresést a rossz időjárás nehezíti.

A francia haditengerészet SNA Emeraude tengeralattjárója időközben megérkezett a helyszínre és megkezdte a fekete dobozok felkutatását. A keresést egy 70 kilométer sugarú körben végzi három felszíni hajó és a tengeralattjáró. Június 22-én az egyik francia kereső hajó észlelte az egyik adatrögzítő jelét. A jel forrásának felkutatása megkezdődött a Pourquoi Pas? hajó Nautilus nevű mini tengeralattjárójának a segítségével. Később a francia közlekedési minisztérium munkatársa cáfolta a francia lap hírét. A kereső hajó valóban hallott jeleket, de azok nem a keresett adatrögzítőktől származna.  Június 25-én az Air France bejelentette, hogy azonosították a gép kapitányának és az egyik utaskísérőnek a holttestét.

A brazil hadsereg szóvivője június 27-én jelentette be, hogy abbahagyják a kutatást, mivel további maradványok és roncsdarabok megtalálására kevés az esély. A francia hajók folytatják a kutatást a repülési adatrögzítők után.

A baleset kivizsgálása
A vizsgálatot a civil repülés balesetekkel foglalkozó francia hatóság, a BEA (teljes nevén Bureau d'Enquêtes et d'Analyses pour la sécurité de l'Aviation Civile) végzi. A felállított bizottságot Alain Bouillard vezeti. A francia hatóság az amerikai NTSB-t (National Transportation Safety Board) is felkérte a részvételre. Ennek fő oka az, hogy a szerencsétlenül járt repülőgép néhány fontos elemét amerikai vállalatok gyártják. Ilyen vállalat a General Electric (a hajtóművet szállították) és a Honeywell (elektronikai részegységek). A bizottság munkájában részt vesznek az Air France és az Airbus vállalat szakértői is. A vizsgálat kezdeti szakaszában a roncsok és az emberi maradványok felkutatására összpontosítottak. Továbbra is kiemelt fontosságú feladat a fedélzeti adat- és hangrögzítő berendezések (a fekete dobozok) megtalálása. Azonban kevés reményt látnak erre, egyrészt, mert a katasztrófa helye sem ismert, másrészt, mert az óceán mélysége a környéken néhány helyen eléri a 6000 métert is, feneke pedig nagyon egyenetlen.

A katasztrófával kapcsolatban kevés tényszerű adat áll rendelkezésre:

    * A gép repülési útvonalán az Egyenlítő környékén erős viharzóna és turbulens áramlások voltak[6]
    * A repülőgép által küldött üzenetek alapján kijelenthető, hogy a sebesség mérése során inkonzisztencia lépett fel, azaz a repülési sebesség mérése hibás volt[34]
    * Az Airbus A330 függőleges vezérsíkja csaknem sértetlenül, egy darabban került elő
    * Az óceánban megtalált holttestek vizsgálata során megállapították, hogy az áldozatok tüdejében nincs tengervíz, testükön égésnyomok nem láthatóak, valamennyiük többszörös csonttörést szenvedett. Továbbá az eddig megtalált áldozatok nagy területen szóródtak szét[35]

A vizsgálóbizottság azt is közölte, hogy az Airbus A320/A330/A340 modellek egyik fajta Pitot-csövével már korábban is voltak problémák, ugyanis nagy magasságon hajlamosak voltak a jegesedésre. Emiatt az Airbus vállalat új szenzorokat fejlesztetett ki és a korábbiak cseréjét ajánlotta ügyfeleinek. Az Air France közölte, hogy a problémás érzékelők cseréjét 2009. április 27-én kezdte meg az A330-as flottáján, de a szerencsétlenül járt gépen még nem végezték el. Ugyanakkor a Pitot-cső pontos szerepe a katasztrófában - a túl kevés konkrét adat miatt - egyelőre tisztázatlan. Sajtótájékoztatón elhangzott még az is, hogy az eddigi adatok alapján az állapítható meg, hogy a gép induláskor műszakilag teljesen rendben volt. A vizsgálóbizottság az előzetes jelentést június végére ígérte.