林彪的座机一越出国境，原本已有某种预感的周恩来所最担心的事情终于发生了，他气愤地骂了声“叛徒”，立即从人民大会堂驱车前往中南海，当面报告了毛泽东。随后，两人决定，向全国发布禁空令：关闭所有机场，所有飞机一律停飞。
根据毛泽东的指示，周恩来连夜召集在京的中共中央政治局委员开会，宣布林彪叛逃事件，主持研究应付各种情况的应急措施。
彻夜未眠的周恩来，亲自给全国11个大军区和29个省、市、自治区主要负责人打电话，通报林彪外逃的情况，要求各地坚决听从党中央、毛主席的指挥。出于保密的考虑，周恩来使用的是经过斟酌的语言：“庐山会议第一次全会上第一个讲话的那个人，带着老婆、儿子，坐飞机逃往蒙古人民共和国方向去了!你们要听从党中央、毛主席的指挥，从现在起，立即进入紧急备战。”当有的受话人一时反应不过来，还要进一步询问时，周恩来马上打断其话语，着急地反问道：“怎么，你还不明白吗?”
9月13日上午，周恩来召集军委和总参有关领导开会，分析林彪外逃可能出现的军事动向，研究内防政变、外防侵略的兵力部署。决定集中3个机械化师、2个坦克师、1个炮兵师、4个警卫师，共10个师的精锐部队，由北京卫戍区统一指挥。京北南口，京东首都机场，京南保定以北，是重点防御地区;防空降、防机降、防机械化部队突袭，是主要作战方式。当晚，各部队进入了预定作战区域。
中南海内加强了警戒，增加了警卫兵力，修筑了掩体，架设了机枪和防空武器。毛泽东悄悄搬出了中南海原来的住房，来到人民大会堂118厅暂住。
9月14日上午，外交部专门研究了外交对策。当时作了四种估计：(一)由林彪出面公开发表叛国声明;(二)由林彪或其他人通过外国广播或报纸发表谈话;(三)林彪及其追随者暂不露面，也不直接发表谈话，由外国通讯社客观报道林彪已到达某国某地;(四)暂不发表消息，以观国内动态。会议分别讨论了在上述情况下的对外交涉和如何表态问题。据说，针对第一种可能，还起草了《政府声明》的稿子，以备急需。(孙一先：《在大漠那边》，中国青年出版社2001年版，第169~171页)
这一切都说明，毛泽东和周恩来都对林彪的出逃颇感意外，都不知道林彪出逃后会采取什么样的举动，中国所面临的会是什么样的局面，他们作了最坏的打算。
最先得知256号三叉戟飞机坠毁消息的，是蒙古方面。不过，他们也不知道这是林彪的座机，他们根据飞机失事的残骸判断，这是一架中国的军用飞机。
