调查过程
3月29日，美籍华人 [1]李昌钰博士推荐的3名美国刑事和弹道专家抵达台湾，开始调查工作，他们取得了事件发生时所有有关的证物，并到现场勘察，将会把采样到的资料带回美国，与李昌钰共同讨论。民进党虽然之前表示欢迎国际刑事专家对事件展开调查，不过在3月29日当天又表示，李昌钰身为连宋北美后援会的会长，有关聘请李昌钰的事宜都是由泛蓝阵营搭线，陪同美国专家做翻译的雷倩也是新党党员，因此也对李昌钰的公正性提出了些许质疑，但仍表示不抗拒刑事局与李昌钰一同进行分析调查。
3月30日3名美国专家结束了调查工作，在离台前的记者会上，他们表示受到台湾方面的充分配合，并且还会见了陈水扁本人，并亲自检查了他的伤口。他们认为伤口确实是枪伤无误，而且是新的伤口，但是进一步的推断无法做出，因为伤口已经开始愈合。此外他们还表示基本上已经能够确定到底凶手是近距离还是远距离射击，但不能公开，因为详细的鉴定结果必须要跟李昌钰博士确认后才可公布。
4月9日，李昌钰抵达台湾，他在机场首先表示，自己只是进行鉴识工作，后续的调查还需要台湾方面自行负责，而且他表示事件可能成为一宗悬案。当天他首先秘密拜访“总统府”，检查了陈水扁和吕秀莲的伤口，确认是枪伤，而且是新的，但是就无法推测具体受伤的时间；随後他又到台北调查局领取了所有的证物和照片进行研究。下午，李昌钰到台南，先访问奇美医院与医生谈话，再度确认，之前受怀疑的X光片没有问题。晚间他来到案发现场，采用雷射技术判断出凶手可能是躲在公共汽车牌附近射击，而且汽车的弹孔应该是从外向内射击造成的。此外，李昌钰还发现子弹有机器印，这需要进一步调查；至于陈水扁的外套则没有火药残留痕迹。
李昌钰调查报告
8月28日晚11时，李昌钰在美国召开记者会，宣布已经完成其133页的调查报告，当晚就交给台北驻纽约经贸办事处，立即以外交包裹形式送回台北，转交给台湾方面负责刑事侦查的“检察总长”卢仁发。记者会上，李昌钰对媒体做出以下几点交代：
李昌钰的调查小组在子弹上找到十分特殊的“工具痕”，对侦查十分有帮助，如台湾方面能找到作案时使用的枪管，就可进行比对。李昌钰称，只要找到枪支，案件就解决了大半。
对陈水扁衣服的检验结果发现，夹克上大部分不是血迹，而是药用油膏；在陈水扁的衬衫上也发现大量药用油膏；
子弹上发现蓝、白衣服纤维；
歹徒所使用的枪支是特制的土制枪支，且两支枪管都是用同一机器制成，然后切成两半；
由于凶手非常专业，而却又使用火力很小的枪支，因此可以排除是政治谋杀行为。
李昌钰表示自己的报告不设政治立场，不作任何推断，也不受台湾蓝绿和美国任何一方政治势力的影响。但是他却又表示“如果仔细读（报告），就可以知道是什么意思”。但是蓝绿两阵营对此的解读却完全相反，各自强调对自己有利的证据来发挥，民进党称该调查报告与刑事局之前的调查报告基本相似，而李昌钰做出的“非政治谋杀”推论结论过于仓促，因为台湾与美国的情况不同，不应那么早排除任何可能。蓝营则指，“非政治谋杀”的结论证明了蓝营的清白，他们更进一步指出，既然动机非纯粹的暗杀，则可能的解释就是企图影响选举结果，而这又是对当时选情并不看好的绿营有利。
三一九枪击事件真相调查特别委员会
2004年8月24日“立法院”三读通过三一九枪击事件真相调查特别委员会条例，“行政院”随即提出覆议，然而失败，民进党立院党团提请大法官释宪，在此同时，“总统”依法公布该条例，却违反宪政惯例加以批注，并拒派代表参与三一九枪击事件真相调查特别委员会。随後真调会即召开会议，执政的民进党则发动抵抗权，引发了严重的宪政危机。
三一九枪击案刑事责任侦查权专属真调会
全部案卷证物移交真调会。真调会行使职权不受“国家机密保护法”，刑事诉讼法等法律规定限制，不得以涉及机密等理由规避或拒绝说明。真调会有权对相关人做出限制出境处分。
此一释宪剥夺了以泛蓝成员为主的真调会权力，但该会仍在2005年1月17日公布自行的调查报告，并断言这是一场「操作选举」。对立的泛绿质疑，在失去调查权力后，真调会的结论是从何来？并认为这样的结论是「由政治动机出发所做的荒谬推断，完全无法令人接受。」
当两派仍为枪击案争执不休时，2005年2月24日台南市安南区一间理容院亦发生枪击事件。巧合的是，受伤的理容院老板翁德祥与陈水扁的伤口如出一辙：被害人腹部中枪、弹头留在衣服上，且同送奇美医院。另外，腹部只有一进一出的伤口，连作案枪枝也是改造枪械，甚至开枪者以左手开枪皆吻合。
检调单位一度怀疑两案是同一人所为，但调查后已排除可能性。泛绿则表示此事件的发生，代表陈水扁的伤口不是不可能发生，也成为反驳敌营的证据。
CIA 报告
2005年6月8日，“中国台湾地区立法机构民意代表”李敖出示一份CIA报告，称三一九事件实际上是陈水扁策划的针对吕秀莲的枪杀阴谋。但是，“中国台湾地区当局领导人办公室”方面称资料不尽详实，可能是假的(李敖则回应，是为了保护举报人，刻意改写过)。
2005年3月7日，台湾“最高法院检察署”及刑事警察局召开联合记者会，指出三一九枪击事件开枪的嫌犯为已畏罪自杀的陈义雄。但由于凶枪等证物尚未寻获，仍不宣布破案。刑事警察局称陈义雄家人已经坦诚陈义雄涉案，他在死前曾留有遗书承认犯案，但家人为保护陈义雄名誉已经将该遗书销毁，并将陈义雄之死上报为意外死亡。
陈义雄已于2004年3月29日，即枪击案发生后10日，落海溺毙于安平港，且其生前留下的遗书已经被毁，使得国民党仍高度质疑调查的确实性，并表示2005年3月19日的三一九周年仍会举行大规模抗议。而甫於2005年2月24日与陈水扁举行扁宋会的亲民党也表示，嫌疑人已经死亡，使案件死无对证，对检调结果存疑。
外界对于刑事警察局调查结果的质疑主要集中在枪支下落及嫌犯死亡的方式（陈义雄生前是渔民，擅长游泳，溺水身亡的原因为何），泛蓝更怀疑陈义雄系遭灭口。但由于现场胶筏仅能搭载一人，且无打斗迹象，初步排除灭口或他杀的可能性。
遗书及家属态度也是另一向关键，刑事局亦称其家人因五次接受测谎未通过，加上为维护陈义雄名誉，对案情多所隐瞒，遗书亦早已焚毁。然而当此事件告一段落，部份陈义雄家属接受新闻媒体采访，被问及陈义雄是否是真犯人时，家属并不直接回答，只说“这样的结果我们不能接受”、“我们只希望还给我们一个平静”。2006年03月12日陈义雄家属翻供，并指责检警逼供，案情再度产生新疑点。
当事人之一的“副总统”吕秀莲则表示：民进党政府保护民主人权，不会像过去国民党执政时那样栽赃无辜，这样子结案他也不能接受，希望能继续侦办下去。在当时担任“行政院长”的谢长廷也表示，必要时仍可再次邀请李昌钰来台检视。
2006年3月家属翻供后，吕秀莲发表两点声明：“一、呼吁各界尊重死者人权，体谅家属处境，勿以政治因素干扰其生活安宁，但她本人愿与家属晤谈以了解实情。二、为稳定政局，并杜国内外悠悠之口，建议新任‘最高法院检察署检察总长’另组专案小组，继续侦查三一九枪击案，以期真相大白。”
李昌钰记者会
台湾“最高法院检察署”及刑事警察局召开联合记者会当晚，鉴识专家李昌钰博士随即在美国康乃狄克州自宅召开记者会。他首先肯定台湾警调单位「取得重大进展及突破」。他说，侯友宜于案情发表会曾与他通过电话，把案情做了一次最新的汇报。依台北警方侦办进度而言，他认为三一九枪击案情可能有重大进展。
他也表示，依证据研判，陈义雄为凶嫌的可能性非常高。并建议：「由于陈义雄已溺毙，溺毙的确比较难以确定是他杀或自杀，但仍可以从地点、是否有遗书、尸体外伤等查出重要线索。即使陈已火化，也可从验尸照片、法医的记录等，查出蛛丝马迹。」
李博士表示，国外也有许多嫌犯已死亡、凶器未寻获，但仍迳自宣布破案的例子。他表示：「最重要的是办案人员能否达到百分之百的确信。例如三一九枪击事件，警方即是运用排除法，逐一排除不可能涉案的枪支。检警所谓的重大突破，即是指己排除了百分之九十，只剩百分之十待查。一旦比对到仅剩一把枪未查，即使该枪支未寻获，仍可视为重要证据。」他同时承诺，必要时将返台协助调查。
三一九枪击事件周年
2005年3月19日，泛蓝重新号召其支持群众，至“总统府”前游行抗议，联合报(在台湾,被认为较偏向泛蓝)、中央日报(在台湾,被认为较偏向泛蓝)及国民党党部皆宣称有30万余人参与该场游行。同时台北市警察局表示，大约有3~4万人。
另外，曾於2001年获得“监察院”委托重新调查孙立人案的中央研究院近代史研究所学者朱浤源，案发后一年间自行研究案情，出版了「枪击‘总统’?」一书，认为该案疑点甚多，可能属于假造。朱浤源当年就读于台大政治系博士班的指导教授，即为前任国民党主席与台湾地区领导候选人连战，泛绿方面认为他立场与背景明显偏袒泛蓝，怀有偏见，论据不足采信。仍宜以检调和刑事局等专业和有公权力机构之调查为准。
这次事件对于2004年中国台湾地区领导人选举有著相当大的影响。在事件发生后，泛绿和泛蓝两个阵营都宣布取消一切竞选活动，不过“中选会”宣布，于次日举行的投票将如期举行。国民党主席连战在晚间陈水扁回到台北官邸后也亲自前往探视，但是因陈水扁已经就寝，连战在留下名片后离去。
事件发生后，不论是泛蓝泛绿都同声谴责暴力，不过泛蓝表示希望当局在3月19日午夜前公布初步的调查结果。许多泛蓝人士以及少数泛绿人士（如沈富雄）认为该事件对选情冲击很大，是扭转选情的关键，特别是在南部地区的选票流失严重。另有看法认为，这次事件没有直接造成泛蓝阵营的选票流失，但确实使得很多没有投票意愿的选民投了泛绿的票。
在次日举行的大选投票中，陈水扁和吕秀莲都出现于投票所，两人分别发表了一段讲话，称不会被子弹打倒。大选的开票结果是陈吕获胜，双方票数胜差为0.2%。
