Первые радиограммы с борта самолета свидетельствовали о том, что полет проходит успешно. Однако 14 августа Леваневский сообщил, что они летят при сильном ветре и плотной облачности, окна кабины покрылись изморозью, а один из моторов поврежден. После этого связь с экипажем прервалась. В это время самолет находился в районе Аляски. В последней радиограмме говорилось о том, что слышимость плохая. Все радиостанции мира и радиолюбители пытались отыскать хоть какие-то следы самолета в эфире, но находили лишь обрывки разговоров, которые очень трудно было разобрать.
В поисках самолета Леваневского принимали участие летчики из Советского Союза, Канады и США. С Советской стороны принимали участие М. Водопьянов, А. Алексеев, В. Молоков. Общее руководство было возложено на М. И. Шевелева — начальника управления Полярной авиации. Под его началом находилось 15 самолетов, среди которых — Н-170, Н-171, Н-172. 25 августа они уже были на острове Рудольф. Ранее, 14 августа, ледокол «Красин» доставил на мыс Шмидта летные экипажи, самолеты, горючее, теплую одежду и собачьи упряжки. Летчик Задков пытался совершить полет в сторону полюса, но его самолет был затерт льдами. Люди успели спастись. В поисках Н-209 участвовал также отряд, которым командовал Б. Г. Чухновский — опытный полярник. С американской стороны в поисково-спасательной операции принимали участие летчики Г. Уилкинс и Кеньон.
В 30-е гг. XX в Советский Союз добился больших успехов в области полярной авиации. Тогда была высажена первая научная станция на дрейфующую льдину; Валерий Чкалов, а вслед за ним Михаил Громов совершили первый в мире перелет в США через Северный полюс.
Поиски пропавшего самолета продолжались год. Однако ни человеческих тел, ни обломков самолета, ни даже каких-либо мелких предметов обнаружено не было.
В связи с исчезновением самолета Н-209 выдвигалось несколько версий. Согласно одной из них, экипаж вынужден был совершить аварийную посадку в районе горного хребта Эндикотт на Аляске. Эта версия подтверждается рассказами местных жителей — эскимосов. По их словам, 21 августа в пяти милях от побережья появился самолет, который вскоре исчез. Американский летчик Г. Уилкинс обследовал этот район, но ничего не нашел.
По другой версии, экипаж благополучно приземлился в 88–86° с.ш. вдоль 148 меридиана, но дрейфующая льдина вместе с самолетом и людьми стала двигаться к Атлантическому океану. Поэтому, возможно, что С. Леваневский и его группа находятся в районе между Гренландией и Землей Франца-Иосифа. Для подтверждения этой версии советский летчик Я. Мошковский облетел этот район 31 марта 1938 г., однако не обнаружил никаких следов ни самолета, ни людей.