Immédiatement, les recherches s'organisent pour retrouver l'Oiseau blanc et son équipage. La première hypothèse avancée est celle d'une chute dans la Manche, l'avion étant difficile à maîtriser à cause de la surcharge de carburant. Dès le matin du 10 mai, navires et avions sillonnent la mer entre Étretat et la côte anglaise, sans résultat. Devant les témoignages arrivant de Grande-Bretagne et d'Irlande, les recherches sont abandonnées par les autorités françaises au soir du 12 mai : tout semble laisser penser que les aviateurs ont franchi la Manche.
De l'autre côté de l'Atlantique, les marines américaine et canadienne effectuent d'intensives recherches dans un périmètre compris entre le golfe du Saint-Laurent, Terre-Neuve, l'île de Sable et la Nouvelle-Écosse. Plusieurs témoignages font état d'un avion blanc aperçu le matin du 9 mai à Harbour Grace, à Terre-Neuve. Les recherches se concentrent autour de l'île, sans qu'aucune trace de l'avion ou de ses occupants ne soit découverte. Elles sont finalement abandonnées le 9 juin. L'aviateur australien Sidney Cotton les poursuit avec son hydravion jusque fin juillet, sans résultat.
Du 12 au 28 juin, d'étranges signaux lumineux sont aperçus dans la région du Saguenay–Lac-Saint-Jean, dans la province canadienne du Québec. Ils sont interprétés comme pouvant être des fusées éclairantes lancées par Nungesser et Coli. Un trappeur, Georges Rousseau, affirme avoir entendu un avion survoler son campement près de la rivière Péribonka le 9 mai. Plusieurs équipes de sauvetage sont dépêchées dans la région mais, du fait de la très forte densité de la forêt, leurs efforts restent vains et on perd tout espoir de retrouver les aviateurs vivants, un mois et demi après leur décollage du Bourget.
La possibilité de la présence de Nungesser et Coli dans le Saguenay est considérée comme fort improbable par les autorités canadiennes et françaises de l'époque. L'hypothèse la plus répandue au cours des cinquante années suivantes est que l'Oiseau blanc a été pris dans un grain ou dans le brouillard et s'est abîmé dans l'océan, entraînant avec lui ses deux passagers.
À la suite de la publication dans la presse française, en 1980, de plusieurs témoignages indiquant une chute dans la Manche, l'ancien ministre français Roland Nungesser, neveu du pilote de l’Oiseau blanc, demande officiellement une enquête au ministère français des Transports. Celle-ci est confiée à Clément-Pascal Meunier, ingénieur général de l'aviation civile. Il compile pendant près de trois ans l'ensemble des témoignages et des données recueillis depuis 1927 pour tenter de retracer le parcours de l'Oiseau blanc.
Selon le rapport Meunier, il ne fait aucun doute que Nungesser et Coli ont atteint sans difficulté l'océan Atlantique. Après Étretat, l’Oiseau blanc a en effet été aperçu par le commandant du sous-marin britannique H.50 au sud-ouest de l'île de Wight à 7 h 45, par M. Dumphy, un ancien officier de marine, à Dungarvan en Irlande à 10 h 10, puis par M. Glynn et son fils à Kilrush à 11 heures et enfin par le révérend Madden à Carrigaholt, quelques minutes plus tard. Ces témoignages concordent avec le plan de vol établi par François Coli, avec le cap suivi par l'Oiseau blanc lorsqu'il a franchi les falaises d'Étretat et avec les temps de passages plausibles de l'avion. Lorsque Nungesser et Coli quittent l'Irlande, six heures après leur départ, le temps est clair et le vent les porte vers l'Atlantique. Meunier estime, au regard des relevés météorologiques, que les aviateurs n'ont pas dû rencontrer de vents défavorables avant le passage des 40° ouest, longtemps après le passage du point de non-retour, le point du parcours au-delà duquel il est impossible de faire demi-tour, faute d'avoir de carburant suffisant.
En revanche, au-delà des 40° ouest, théoriquement atteints vers 21 heures le soir du 8 mai, les conditions météorologiques ont changé. Selon le service météorologique américain, la dépression signalée au large de Terre-Neuve s'est déplacée nettement moins à l'est que prévu et se trouve donc droit sur la route de l'Oiseau blanc. Les aviateurs ont dû faire face à des vents contraires, de faibles températures et probablement des chutes de neige, alors même qu'ils entraient dans la nuit. Pour éviter cette dépression, Meunier pense que Coli a dérouté l'avion vers le nord, le conduisant à effectuer une boucle à la marge de la dépression.
Ce détour aurait rallongé la route de Nungesser et Coli de plusieurs centaines de kilomètres et ralenti leur progression vers Terre-Neuve de plusieurs heures. Selon le plan de vol de François Coli, l'Oiseau blanc aurait dû aborder le continent américain vers 6 heures du matin (heure de Paris) au niveau de Belle-Isle, petite île située entre Terre-Neuve et la côte canadienne. Or un faisceau d'une quinzaine de témoignages concordants fait état du passage d'un avion blanc au-dessus du port de Harbour Grace, à 500 km au sud-est de Belle-Isle, vers 9 h 30 heure locale, soit 14 h 30 heure de Paris. S'il s'agit bien de l’Oiseau blanc, Nungesser et Coli auraient donc eu un retard de plus de huit heures sur leur temps de passage à Terre-Neuve. New York est désormais hors de portée d'un Oiseau blanc à court de carburant. Compte tenu de ces témoignages, Clément-Pascal Meunier estime que le passage de l'avion au-dessus de Terre-Neuve est probable, sans toutefois pouvoir l'affirmer avec certitude.
Au moment où Roland Nungesser demande aux autorités françaises l'ouverture d'une enquête, de nouveaux éléments déclenchent d'importantes recherches dans une région très isolée de l'État américain du Maine. En juin 1980, le journaliste Gunnar Hansen publie un article dans le Yankee Magazine intitulé « The Unfinished Flight of the White Bird ». Hansen s'appuie sur le témoignage d'un pêcheur nommé Anson Berry qui aurait entendu un avion en difficulté survoler son camp de Round Lake, à une trentaine de kilomètres au nord de la ville de Machias, vers la fin de l'après-midi du 9 mai. À cause du mauvais temps, Berry n'a pas vu l'avion, mais il a entendu un moteur avoir des ratés, s'arrêter, puis, quelques instants plus tard, le bruit d'un crash. Clément-Pascal Meunier qualifie ce témoignage de « troublant ». En effet, si l'on admet son passage à Terre-Neuve dans la matinée, l'Oiseau blanc aurait épuisé son carburant à ce moment et dans ce rayon d'action précis. Les pilotes auraient alors cherché à poser leur avion privé de propulsion sur l'un des innombrables lacs de la région mais ils se seraient écrasés dans les collines.
En avril 1984, l'association The International Group for Historic Aircraft Recovery (TIGHAR, le groupe international pour la récupération d'avions historiques), nouvellement fondée par Rick Gillepsie, entame une campagne de fouilles autour de Round Lake. Gillepsie nomme cette expédition le « Project Midnight Ghosts » en référence à la formule employée par Charles Lindbergh dans son autobiographie concernant Nungesser et Coli : « they vanished like midnight ghosts » (« ils s'évanouirent comme des fantômes de minuit »). Elle est un temps rejointe par l'association NUMA de l'écrivain Clive Cussler. TIGHAR recense les témoignages d'une vingtaine de personnes ayant vu ou entendu un avion passer entre la frontière canadienne et Round Lake le 9 mai 1927. Les enquêteurs recueillent notamment le témoignage de Raymond Beck, qui affirme avoir trouvé près de Round Lake, en 1951, un moteur d'avion qui pourrait être le Lorraine de 450 chevaux de l’Oiseau blanc. Ce moteur aurait été à nouveau découvert, puis déplacé par des chasseurs en 1974 au moyen de traîneaux de bois et ensuite perdu sans que TIGHAR ne retrouve sa trace.
Entre 1984 et 1992, près de deux cents volontaires fouillent les collines bordant Round Lake à l'aide de détecteurs de métaux, bénéficiant notamment du soutien technologique de la NASA et de l'US Air Force. En 1987, un habitant de la région rencontre TIGHAR. Il a en sa possession un étui à cigarettes décoré avec des cigognes, emblème populaire des pilotes français pendant la Première Guerre mondiale. Cet étui, découvert vers la fin des années 1920 dans les collines au nord de Machias, a par la suite été identifié par l'Aéro-Club de France comme étant probablement de fabrication française, vraisemblablement produit entre 1900 et 1920. Durant la campagne de recherches de l'automne 1988, les volontaires du projet Midnight Ghosts ont fouillé la traînée laissée par le déplacement de l'objet qui pourrait être le moteur de l'Oiseau blanc en 1974. Ils y ont trouvé deux petites pièces de métal, toujours non identifiées, « mais qui présenteraient des similitudes avec le matériel utilisé pour les ceintures de siège des appareils français des années 20 », sans qu'aucune documentation ne permette de confirmer cette hypothèse.
En 1992, TIGHAR arrête ses recherches près de Round Lake. En dépit des nombreux témoignages et des moyens engagés, aucune preuve concrète du crash de l'Oiseau blanc dans le Maine n'a pu être établie.
En 1990, l'écrivain français Charles Garreau publie Nungesser et Coli : premiers vainqueurs de l'Atlantique, préfacé par Roland Nungesser. Cet ouvrage est une synthèse des recherches menées jusqu'alors et développe trois hypothèses pouvant expliquer le sort de Nungesser et Coli :
Selon son « intime conviction », l'Oiseau blanc et son équipage reposent près de la baie de Trinity à Terre-Neuve.
Après l'arrêt des recherches dans le Maine en 1992, le projet Midnight Ghosts déplace ses recherches vers la péninsule d'Avalon, à Terre-Neuve. Cette décision est motivée par les découvertes successives, depuis 1927, de plusieurs objets métalliques pouvant provenir de l'épave d'un avion dans l'étang de Gull Pond, dans le sud de la péninsule.
Aucun élément probant issu de l'Oiseau blanc n'étant mis au jour, TIGHAR met progressivement son projet Midnight Ghosts en sommeil au milieu des années 1990 pour se concentrer sur d'autres projets.
En mai 2009, une nouvelle campagne de recherches est lancée à Saint-Pierre-et-Miquelon, territoire français situé à quelques kilomètres au sud de Terre-Neuve. Le rapport de Clément-Pascal Meunier contient le témoignage d'un pêcheur saint-pierrais, Marie-Pierre Lechevalier, rapporté par l'ancien maire de Saint-Pierre Joseph Lehuenen. Le matin du 9 mai, Lechevalier est en train de pêcher la morue quelques miles au sud-est de Saint-Pierre lorsqu'il entend s'approcher le bruit d'un moteur d'avion, caché dans la brume. Ce bruit est soudainement suivi du fracas d'un objet lourd plongeant dans la mer. C'est alors que son chien se met à hurler à la mort, sans que Lechevalier puisse le calmer. « Renfermé, taciturne et solitaire », il s'est tu jusqu'à l'arrivée de Costes et Bellonte à New York, premiers vainqueurs de l'Atlantique Nord dans le sens est-ouest, le 2 septembre 1930. Selon Meunier, l'avion, perdu dans le brouillard, aurait alors accidentellement percuté la mer.
En 2008, Bernard Decré, créateur du Tour de France à la voile, convainc le gouvernement français de la possibilité de retrouver l’Oiseau blanc dans les eaux de Saint-Pierre. Nungesser et Coli auraient été, selon lui, abattus par des bootleggers, des trafiquants d'alcool approvisionnant les États-Unis pendant la Prohibition, Saint-Pierre-et-Miquelon étant à l'époque une plaque tournante du trafic d'alcool. Decré s'appuie sur le témoignage d'un matelot de la goélette l’Armistice, partie de Granville chargée d'alcool, dont les marins auraient aperçu l’Oiseau blanc. La marine nationale française affrète l'un de ses bâtiments, le Fulmar, pour tenter de localiser l'épave de l'appareil de Nungesser et Coli, ainsi que celle d'un chalutier qui a fait naufrage en 1962. Entre le 20 mai et le 10 juin 2009, le Fulmar balaie les fonds marins à l'aide d'un sonar, à la recherche de l'écho de la structure de l'Oiseau blanc mais cette première campagne se révèle infructueuse. Une seconde campagne de recherche a eu lieu du 26 mai au 15 juin 2010 sans que l’Oiseau blanc ou le chalutier ne soient retrouvés.