Ngay sau vụ việc, báo cáo đầu tiên chưa được xác nhận gợi ý rằng máy bay đã bị rơi ngoài khơi đảo Belitung ở Indonesia.[27][28][29]

Ngay sau khi máy bay được xác nhận là mất tích, Trung tâm tìm kiếm Quốc gia Indonesia và Cơ quan cứu hộ triển khai bảy tàu và hai máy bay trực thăng để tìm kiếm ngoài khơi đảo Belitung và Kalimantan.[30] Hải quân và các đơn vị Cảnh sát Hàng không và đường thủy Indonesia gửi các đội tìm kiếm và cứu hộ.[31] Ngoài ra, một máy bay Boeing 737 trinh sát của Hàng không Indonesia đã được phái đến vị trí cuối cùng của máy bay trước khi mất liên lạc.[32]

Hải quân Indonesia đã xác nhận rằng họ đã cử bốn tàu vào cuối ngày tìm kiếm đầu tiên, tham gia các nỗ lực tìm kiếm ban đầu. Các máy bay khác của Không quân Indonesia, trong số đó có một CASA / IPTN CN-235, cũng đã tham gia tìm kiếm.[33] Quân đội Indonesia triển khai bộ binh để tìm kiếm ở các bờ biển và vùng núi của các hòn đảo lân cận.[34]

Ngoài các tàu của chính phủ, các ngư dân địa phương cũng tham gia vào việc tìm kiếm.

Các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ đã được tiến hành dưới sự chỉ đạo của Cơ quan Hàng không dân dụng Indonesia.[7][35] Việc tìm kiếm đã bị đình chỉ tại 19:45 giờ địa phương ngày 28 tháng 12 do bóng tối và thời tiết xấu, để được tiếp tục trong ánh sáng ban ngày.[36] Một trung tâm hoạt động phối hợp các nỗ lực tìm kiếm được thành lập tại Pangkal Pinang.[37] Các khu vực tìm kiếm là một bán kính 270 hải lý gần đảo Belitung.[38]

Trung tâm Phối hợp cứu trợ Singapore (RCC), do Cơ quan Hàng không dân dụng Singapore (CAAS) quản lý và được hỗ trợ của các cơ quan khác nhau, bao gồm Quân lực Cộng hòa Singapore (RSAF), cũng đã bước đầu triển khai một máy bay C-130 Hercules để hỗ trợ trong việc tìm kiếm và hoạt động cứu hộ.[39] Một viên chức từ Singapore sẽ được triển khai đến Jakarta để phối hợp với chính quyền Indonesia trong hoạt động tìm kiếm, và thêm hai máy bay C-130 Hercules sẽ được triển khai cho các ngày thứ hai của hoạt động tìm kiếm và cứu hộ.[40]

Chính phủ Malaysia cũng đã thành lập một trung tâm điều phối cứu hộ tại Subang và đã triển khai ba tàu quân sự và ba máy bay, trong đó có một máy bay C-130 Hercules, để hỗ trợ các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ.[41][42][43]

Úc đã triển khai một Orion P-3 để hỗ trợ trong các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ.[44]

Ấn Độ đã đưa ba tàu và máy bay giám sát hàng hải vào chế độ trực chiến để hỗ trợ các hoạt động tìm kiếm. Hải quân Ấn Độ cho biết một tàu trong vịnh Bengal và hai tàu ở biển Andaman đã được chuẩn bị sẵn sàng để cung cấp hỗ trợ. Ngoài ra có một máy bay Boeing P-8I cũng đã được đưa vào trạng thái sẵn sàng.[45]

Ngày 29 tháng 12 năm 2014, Giám đốc Cơ quan Tìm kiếm Quốc gia và Cứu trợ Indonesia Bambang Soelistyo nói rằng nhà chức trách tin rằng chiếc máy bay phản lực AirAsia bị mất tích có khả năng đang ở đáy biển, dựa trên dữ liệu liên lạc cuối cùng của máy bay từ radar.[46][47]

Ngày 30 tháng 12 năm 2014, các đồ vật giống như một cánh cửa máy bay và một máng trượt khẩn cấp được cho là đã được phát hiện 10 km từ nơi chiếc máy bay cuối cùng liên lạc với ATC.[48][49][50]. Bộ Giao thông vận tải Indonesia sau đó xác nhận rằng các mảnh màu đỏ được tìm thấy trong eo biển Karimata là một khung máy bay.[51] Tất cả các mảnh vỡ đều đã được thu thập và chuyển về thị trấn Pangkalanbun. Trưởng cứu hộ Indonesia cho biết trên Kompas TV rằng 95% mảnh vỡ được tìm thấy là của máy bay QZ8501".

Các thi thể, bị nghi ngờ là hành khách, đã được tìm thấy trong các vùng biển của Vịnh Kumai, gần Pangkalan Bun.[52][53] Người phát ngôn hải quân Manahan Simorangkir Hải quân Indonesia khẳng định đã tìm thấy được 40 xác chết.[54] Tuy nhiên, sau đó Ông Manahan Simorangkir trả lời với AFP rằng đó chỉ là thông tin sự sai lệch. Nguyên nhân của sự sai lệch này là do việc trao đổi thông tin giữa các sĩ quan hải quân có sự nhầm lẫn[55].

Tính đến chiều 31 tháng 12, đã có 7 thi thể nạn nhân được tìm thấy, trong đó có 4 nam và 3 nữ (1 trong số 3 phụ nữ mặc trang phục của tiếp viên hàng không). Các thi thể này chưa thể chuyển lên bờ vì thời tiết xấu[56].