Onderzoek van de Britse luchtvaartautoriteiten wees uit dat de explosie veroorzaakt was door een bom die verstopt was in een koffer in het bagageruim. Wie de koffer daar had geplaatst bleef echter lang onduidelijk.

In eerste instantie richtte het onderzoek van de Schotse justitie, geassisteerd dan wel gestuurd door Britse en Amerikaanse inlichtingendiensten, zich op een splintergroepering van de PLO, die door Iran zou worden gesteund. Iran zou een dergelijke daad hebben willen laten plegen als vergelding voor een incident op 3 juli 1988, waarbij de VS een Iraans burgervliegtuig neerschoten en alle 290 inzittenden omkwamen.

Volgens justitie liep dat spoor echter dood, en waren er sterke aanwijzingen voor betrokkenheid van Libië. In november 1991 gelastte de Schotse justitie de aanhouding van twee verdachten: al-Megrahi en Khalifa Fhima. Beiden waren agenten van de Libische geheime dienst, en zouden er voor hebben gezorgd dat de bomkoffer in Frankfurt aan boord werd gebracht van de 747.

De Verenigde Staten hielden Libië verantwoordelijk voor een aanslag op een disco in West-Berlijn in 1986. Bij een Amerikaans vergeldingsbombardement op Tripoli was volgens de Libische autoriteiten onder meer een pleegdochter van de Libische leider Moammar al-Qadhafi genaamd Hanna om het leven gekomen. Men vermoedde daarom dat Qadhafi opdracht had gegeven tot de aanslag op het PanAm-toestel, uit wraak.

Op 5 april 1999 kwamen de verdachten in Nederland aan; op 3 mei 2000 kon de rechtszaak beginnen. Op 31 januari 2001, ruim twaalf jaar na de explosie, werd al-Megrahi tot levenslange gevangenisstraf veroordeeld; mede-verdachte Khalifa Fhimah werd vrijgesproken.

Al-Megrahi werd overgebracht naar een gevangenis in Schotland en ging in beroep tegen zijn veroordeling. Hij pleitte onschuldig te zijn, maar zonder succes. Op donderdag 28 juni 2007 werd bekend dat de Libiër die in Schotland vastzat voor de bomaanslag, opnieuw beroep kon aantekenen tegen zijn veroordeling.

Op 1 augustus 2007 meldde de zoon van kolonel Kadhafi, Saif al-Islam al-Gaddafi, dat hij onderhandelingen voerde met de Britse overheid tot uitlevering van al-Megrahi. De deal handelde binnen het kader van vijf Bulgaarse verpleegsters en een Palestijnse arts die door het Libische gerecht recentelijk tot levenslang waren veroordeeld wegens verantwoordelijkheid voor de Libische hiv-zaak, wat door diverse internationale waarnemers ten stelligste werd betwist.

In ruil voor een aantal tegemoetkomingen, waaronder één miljoen dollar schadevergoeding voor de familie van elk besmet kind en het herzien van internationale sancties, verleende kolonel Kadhafi gratie en werden de zes veroordeelden kort na de veroordeling uitgeleverd aan hun thuisland Bulgarije.

De Libische regering is bereid geweest tot het betalen van schadevergoeding aan de nabestaanden, waardoor de laatste sancties op Libië worden opgeheven en het land van de lijst van terroristische landen af werd gehaald. Libië heeft echter nooit formeel schuld bekend.

Abdel Basset al-Megrahi werd op 20 augustus 2009 vrijgelaten omdat hij in een terminale fase van prostaatkanker zou verkeren; hij zou nog slechts drie maanden te leven hebben.

Het Witte Huis deelde mee de vrijlating te betreuren en onder de nabestaanden werd het vrijlatingsbericht met gemengde gevoelens ontvangen. Al-Megrahi keerde nog dezelfde dag terug naar Libië, waar hij een grote ontvangst kreeg, hetgeen een grote consternatie in Groot-Brittannië veroorzaakte. Al-Megrahi heeft steeds volgehouden onschuldig te zijn en was van plan dit in zijn memoires toe te lichten.

In juli 2010 was Megrahi nog steeds in leven en kwam naar buiten dat de arts die in 2009 de diagnose van spoedig overlijden had gesteld, door Libië onder druk was gezet. Al-Megrahi zou nog wel 10 jaar kunnen leven, zei arts Karol Sikora bijna een jaar na de vrijlating, daaraan toevoegend dat hij zich schaamde voor zijn besluit van toen. Korte tijd later verschenen berichten dat ook olieconcern BP de hand had gehad in het beïnvloeden van de diagnose, met het oog op concessies voor olieboringen voor de kust van Libië.

Op 26 juli 2011 verschenen op de Libische tv beelden van een in een rolstoel zittende Al-Megrahi, die aanwezig was bij een pro-Qadhafi bijeenkomst in Tripoli. Al-Megrahi overleed op 20 mei 2012 op 60-jarige leeftijd aan de gevolgen van kanker.