Ngay sau khi vụ nổ xảy ra, các cơ quan hành chính thuộc quận Hà Đông và thành phố Hà Nội đến hiện trường và tiến hành điều tra.[17] Chiều cùng ngày, Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội Nguyễn Đức Chung chỉ thị Công an thành phố Hà Nội khám nghiệm hiện trường và điều tra nguyên nhân vụ nổ.[43] Giám đốc Công an thành phố Hà Nội Đoàn Duy Khương đến thị sát hiện trường và chỉ thị điều tra.[41][65] Hôm sau, Công an thành phố Hà Nội và Bộ Tư lệnh Thủ đô Hà Nội cùng Bộ Công an phối hợp điều tra.[1]

Cảnh sát quận Hà Đông và cảnh sát phường Phú La niêm phong sáu căn nhà liền kề bị hư hại nghiêm trọng, cảnh sát quận Hà Đông thống kê thiệt hại và thu thập lời khai của các nhân chứng.[4] Ngày 22 tháng 3, công an thành phố Hà Nội thông báo không khởi tố vụ án vì người gây ra vụ nổ đã tử vong.[5] Cảnh sát thành phố Hà Nội tiến hành truy vết phương tiện vận chuyển và bán vật liệu nổ cho cửa hàng phế liệu của Phạm Văn Cường.[66]