晚上9点20分左右，张宏、姜作寿将林立衡报告的情况，报告给在北京的中央警卫局副局长张耀祠。事关重大，张耀祠一面要姜作寿派专人监视林彪住所的动静，一面赶到汪东兴的办公室，说：“情况很紧急，怎么办？”
汪东兴立即打电话找周恩来。周恩来正在人民大会堂福建厅开会，主持讨论将在四届人大作的《政府工作报告》草稿。
周恩来一听汪东兴的报告，也很吃惊，他一再追问：“报告可靠吗？”
汪东兴说：“可靠。”
周恩来马上布置：“你马上打电话通知张宏，如果有新的情况，立即报告！”
汪东兴和张耀祠守在办公室里，眼睛紧紧盯着电话机，盼着它马上响起来。果然，电话响了，是张宏：“林立衡还报告，她听接林立果的汽车司机讲，林立果是乘专机从北京来的，这架专机现在就停在山海关机场。”汪东兴马上将这个情况报告周恩来。
周恩来已经无法再主持开会了，他向开会的同志宣布，今天的会议结束，政治局的同志留下，其他人员请回。他来到东大厅的一间小房子里，全力处理北戴河问题。他让汪东兴不要离开电话机。他打电话查问吴法宪：“今天下午去秦皇岛的飞机是谁批准的？”
吴法宪支支吾吾，经查是空军司令部副参谋长胡萍。
周恩来命令吴法宪：“飞机必须马上回来，不准带任何人！”
许多人称吴法宪是“草包司令”，其实他自有聪明处，他向周恩来报告了假情况：“那架飞机是夜航试飞，出了故障。”
“飞机就停在那里不准动，修好马上回来。”周恩来补充说，“秦皇岛这架飞机，必须有周恩来、黄永胜、吴法宪、李作鹏四个人一起下命令，才能起飞，要李作鹏马上打电话通知秦皇岛机场负责人。”因为这个机场归海军管，李作鹏是副总参谋长兼海军政委。
但是李作鹏通知时，又说成“四个人中有一个人的命令，飞机就可起飞”。
晚上11点多钟，张宏打来电话：“林立衡讲，林立果、叶群正在商量要挟持林彪今天晚上逃跑，还要派飞机轰炸中南海，暗害毛主席。林立衡让我立刻直接向张耀祠副主任报告，保卫好毛主席。”汪东兴及时将情况报告周恩来。
空军副参谋长胡萍偷偷将总理追查256号飞机的情况用保密电话报告了周宇驰，周宇驰立即将情况转告林立果。这一下林家顿时紧张无比，林彪定了定神指挥叶群：“你立即给总理打个电话，稳住他。让立果通知胡萍，256号绝对不能调走，然后你们多带些文件，南下广州另立中央看来不行了，我们马上直接北上。”
11点40分，叶群的电话经军委台转到了周恩来。叶群说：“总理，林彪同志让我向你报告，他想动一动。”
周恩来像往日一样平和：“是空中动还是地上动？”
“空中动。”
“有飞机吗？”
叶群开始说没有，但立即改口说：“有，有一架专机，是我儿子坐着来的。他父亲说，如果明天天气好，要上天转一转。”
“是不是要去别的地方？”
“原来想去大连，这里的天气有些冷了。”
“晚上飞行不安全。”
“我们晚上不飞，等明天早上或上午天气好了，再飞。”
“别飞了，不安全，一定要把气象情况掌握好。”周恩来还说，“需要的话，我去北戴河看一看林彪同志。”
这一下叶群警觉了，有些慌乱：“你到北戴河来，林彪同志就紧张，更不安。总之，总理不要来。”
周恩来放下电话，马上又让话务员接通了吴法宪，命令他：“你立即准备两架飞机，如果林彪要起飞，我到山海关去拦他。”
当叶群将她与周恩来通话的内容报告林彪后，林彪马上做出反应，他对贴身警卫李文普说：“今晚反正也睡不着了，你准备一下东西，我们马上走。”
与此同时，林立果给周宇驰打电话：“首长马上就要走，你们越快越好。”
9月12日晚11时前后，王飞、于新野按照周宇驰的布置，正在空军办公大楼西三楼南侧最西头的办公室里，研究第二天去广州的行动计划。周宇驰在电话里对王飞说：“暴露了，不搞了！”王飞接到电话立即宣布南下计划作废。周宇驰通知完王飞，即同于新野、李伟信往沙河机场找直升飞机。
接近午夜零点的时候，林彪出了房门，向防空洞走去，在那里上了红旗轿车。同坐一车的还有叶群、林立果、李文普和刘沛丰。
上车后林彪问林立果和李文普：“到伊尔库茨克有多远？”
林立果答：“很快就到。”
林彪问完，汽车便开动起来。守候在58号楼附近的8341部队人员向汽车挥手，示意司机停车。司机叫杨振刚，原为叶群开车，后为林彪开车。叶群对司机说：“8341部队对首长不忠，冲！”汽车猛地加速，冲过马路。中队长萧奇明见此情景，举枪向汽车尾部连开两枪，情急中他早忘了这是红旗防弹车，别说是手枪，就是两颗手榴弹投到车上也无济于事。事后验证，他那两枪都打在汽车后挡风玻璃上，玻璃上留下两个白点。后来周恩来批评萧队长，在没有得到明确指示的情况下不应开枪。
坐在前座上的李文普，在汽车驶过58号楼不远处突然喊道：“停车！”司机不知发生了什么事，立即放慢车速，车还没停下，李文普已经拉开车门，跳到地面上，随即枪声响起——他被林立果开枪打伤。
林彪的车子取道海滨路，奔向山海关机场。8341部队的战士们在中队长萧奇明、大队长姜作寿和副团长张宏的带领下，先后乘坐吉普车、卡车和吉姆车以最快的速度紧追，但都没有追上。
到9月13日零点32分，北戴河的警卫部队报告，林彪不顾警卫部队阻拦，已乘三叉戟飞机强行起飞了！山海关机场曾三次请示李作鹏，李作鹏都没有下令停止起飞。周恩来一听这个消息，马上出去打电话报告了毛泽东，并请示了一些事情，回来后对李德生说：“林彪乘飞机逃跑了！”他命令李德生立即赶到空军司令部，代替他坐镇指挥，随时报告情况，吩咐道，“你24小时都不能离开！”周恩来同时派杨德中随吴法宪去西郊机场掌握情况，派纪登奎去北京军区空军司令部。周恩来还发布了“禁飞令”：关闭全国机场，所有飞机停飞，开动全部雷达监视天空。
周恩来问指挥所调度员：“用无线电向256号飞机呼叫，他们能不能听到？”
调度员说能听到。
周恩来说：“我要对潘景寅（已知潘为此机驾驶员）讲话，请你给我接上。”
调度员说：“他开着机器，但不回答。”
周恩来说：“那就请你向256号飞机发出呼号，希望他们飞回来，不论在北京东郊机场或西郊机场降落，我周恩来都到机场去接……”
调度员报告周恩来：“他不回答。”
事情到了这一步，周恩来必须当面向毛泽东汇报。
周恩来正在“游泳池”向毛泽东汇报，吴法宪从西郊机场打来电话，说林彪的专机已经起飞30分钟了。飞机向北飞行，即将从张家口一带飞出河北，进入内蒙古。吴法宪请示，要不要派歼击机拦截？
周恩来请示毛泽东：“怎么办？打不打？还在射程之内。”
毛泽东眼望空处，烟雾缓缓地从他口中溢出，他像是自言自语，其实是说给周围的人听：“不要打，天要下雨，娘要改嫁，都是没有法子的事，由他去吧。”
凌晨1时50分，256号飞机飞出国境，进入蒙古人民共和国境内。
为了毛泽东的安全，周恩来立即送他到人民大会堂北京厅暂住。
毛泽东要周恩来把在京的政治局委员召集到人民大会堂开会，他们到后，周恩来首先告诉他们，毛主席已于12日傍晚回到北京，接着向政治局委员们讲了夜里发生的事，说林彪坐飞机跑了，要大家做好应付万一的准备，作了紧急战备部署。为了毛泽东的安全和健康，他请毛泽东休息，不参加这次政治局会议。
这时又出现了新的情况。林立果的死党周宇驰接到林立果要他北逃的命令后，立即同江腾蛟、王飞、鲁珉等撕毁原来准备南逃的人员名单和会议记录。他自己伙同于新野、李伟信以执行任务为借口，窜到沙河机场劫持了一架直升机，携带大量机密文件和美元向北飞去。3点15分，沙河机场向中央报告。
周恩来得知后报告了毛泽东，毛泽东问：“又是哪几个？”
周恩来说：“有周宇驰、于新野……”
这下毛泽东大为震怒，下令：“拦截回来，迫降，不听就打下来！”
由于驾驶员陈修文发现了周宇驰等人的阴谋，机智地骗过他们，将飞机开回北京郊区上空，最后在怀柔县境内降落。不畏强暴的陈修文同周宇驰等人进行了殊死的搏斗，最后中弹身亡。周宇驰和于新野开枪自杀，李伟信被当地军民捕获。
深夜3时左右，根据毛泽东的指示，周恩来在人民大会堂主持召开中央政治局会议，宣布林彪叛逃事件，紧急布置了应变措施。他要求所有在京的政治局委员，一律集中到人民大会堂办公。
9月14日中午，连续紧张工作了50多小时的周恩来，才有机会躺下。可电话铃声又响了，秘书只好轻轻推醒他。外交部报告：刚刚接到驻蒙使馆的一份电报。周恩来让秘书念给他听。
报告中说，林彪所乘的256号三叉戟飞机13日凌晨2点30分在蒙古温都尔罕附近坠毁。机上八男一女全部死亡。
周恩来的疲倦一扫而光，大步向屋外走去，他对汪东兴说：“得到了一个重要消息，你是不是马上去报告毛主席。”
当汪东兴将情况报告毛泽东时，毛泽东还有些疑惑：“这个消息可靠不可靠？为什么一定要在空地坠下来？是不是没有油了？还是把飞机看错了？”
汪东兴回答：“飞机到底是什么情况，现在不清楚，大使准备去实地勘察。目前还不知道飞机是什么原因坠落下来的。”
毛泽东又问：“飞机上有没有活着的人？”
“这些情况都不清楚，还要待报。”
毛泽东的表情终于轻松一点。