С вышедшего в море, несмотря на непогоду, спасательного судна «Алдан» пытались спустить батисферу, но из этого ничего не получилось. Помешал начавшийся шторм. Вскоре ветер достигал уже десяти баллов, а волнение моря — семи. Командующий флотом отдал приказ всем задействованным в поиске кораблям и судам укрыться от шторма за островом Кильдин. В море остался лишь эскадренный миноносец «Сведущий» под флагом командующего и спасательное судно «Алдан». Когда погода немного улучшилась, поиск немедленно продолжили.
Интенсивная поисковая операция производилась вплоть до 16 февраля, но оказалась безрезультатной. Расчетное время возможного существования людей на борту затонувшей лодки истекло. Поисковые работы начали было уже понемногу свертывать, когда 2 марта спасательное судно СС-21 зацепилось якорем за неизвестный тяжелый предмет, лежащий на дне. Предмет этот оставил на лапе якоря след сурика, которым окрашивали корпуса подводных лодок. Снова последовала серия выходов в море и тщательное обследование «подозрительного» района, но и здесь все оказалось напрасным Пропавшей субмарины не нашли. Как показали расчеты, к этому времени даже при самом благоприятном развитии ситуации для оказавшихся в подводном плену моряков С-80, из них никто уже не мог остаться в живых. В связи с этим было решено больше не изматывать понапрасну экипажи кораблей и судов, а вернуть их в свои базы. Однако поисковые мероприятия продолжались еще вплоть до августа 1961 года кораблями различных соединений по специально разработанному плану штаба Северного флота
Год за годом корабли в какой уже раз обследовали район предполагаемой гибели С-80. Один раз был даже обнаружен лежащий на глубине двухсот сорока метров неизвестный танкер. С новой силой работы возобновились в 1965 году. При этом использовалась вся новейшая аппаратура гидрографические эхолоты, магнитные металлоискатели, специальные гидрологические станции поиска затонувших подводных лодок и телевизионные подводные установки. Так, по плану в 1967 году корабли производили поиск в южной части района, а в следующем, 1968-м, перешли в северную. Настойчивость и последовательность североморцев оказались в конце концов вознаграждены.
23 июля спасательное судно СС-47 в северо-восточной части полигона, где пропала С-80, в точке с координатами: широта 70 градусов 01 минута 23 секунды северная, долгота 35 градусов 35 минут 22 секунды восточная на глубине 196 метров с помощью гидролокационной станции поиска затонувших подводных лодок МГА-6 обнаружило затонувшую подводную лодку.
Первое же визуальное обследование, произведенное с 12 по 20 августа наблюдательными камерами НК-300 и НК-600, показало, что затонувшая подводная лодка и есть пропавшая в 1961 году С-80. Осматривать затонувшую лодку спускался на наблюдательной камере лично первый заместитель командующего Северным флотом вице-адмирал А.И. Петелин. В свете прожектора субмарина являла собой фантастическое и жуткое зрелище.
20 августа специалисты по результатам наружного обследования и исходя из внешнего вида подводной лодки сформулировали общую версию гибели С-80. Лодка лежала на грунте без дифферента с креном в 35 градусов на правый борт. Носовая часть слегка задрана вверх. Корпус субмарины был сильно опутан рыбацкими сетями и поплавками. Оба аварийных буя были отданы. РДП, антенны и ВАН подняты в верхнее крайнее положение. Обрастание ракушками и водорослями незначительное. Предварительный вывод сводился к следующему: ракетоносец шел на перископной глубине в режиме РДП, то есть при работающих дизелях, а затем по какой-то причине резко устремился вниз. Возможно, что командир внезапно увидел неизвестное судно, шедшее на опасное сближение, и скомандовал «срочное погружение». Поплавковый клапан при этом обледенел и не сработал — вода хлынула в отсеки. Экипаж пытался «продуться» и всплыть, но тщетно. Лодка легла на грунт. Некоторое время люди были еще живы, об этом говорили оба выпущенных аварийных буя.
Позднее Государственная комиссия определит причины, почему так долго продолжался поиск пропавшей подводной лодки:
— несовершенство поисковой аппаратуры;