联邦调查局立即介入了调查。特工们先是从肯尼迪总统的尸体上入手，他们通过调查得知，射向肯尼迪总统的那颗子弹的枪在当时应该在埃尔姆大街上得克萨斯州教科书仓库大楼的一个窗口里。在随即展开的对这座大楼的搜查后，特工们于六层的一个窗台边找到了一支卡尔卡诺6.5毫米步枪。经确认，这就是那支发出让肯尼迪总统毙命的子弹的步枪。

联邦调查局探员们立即展开搜查，一个小时后，他们在街道上遇到一名已经杀掉一名警察的持枪者正准备向另一名警察开枪，探员们向他开枪，最终活捉了此人。此人叫李·奥斯瓦尔德，是仓库大楼里的一名工作人员。联邦调查局技术部门对他的指纹和所查获的步枪上的指纹做了鉴定，二者完全吻合。

无疑，此人必定跟肯尼迪总统的遇刺有关系，但联邦调查局需要证据。于是，搜查证据行动展开了。在调查过程中，有一位目击者声称曾在那幢大楼的一扇窗户中看到一个人，而据他的描述，此人正是李·奥斯瓦尔德。还有一位公共汽车司机的证词说，在总统被刺几分钟后，有个人曾乘坐他的车，并对他说：“总统遭到了枪击。”这名司机被联邦调查局探员们请到了办公室，他一眼就在众多嫌疑人中认出了那个与他说话的人，这个人就是李·奥斯瓦尔德。

陆续被调查出来的证据都对李·奥斯瓦尔德不利。他的一位同事说，11月22日那天早晨，他亲眼见到奥斯瓦尔德在教科书仓库大楼的电梯中携带着一个包裹得严严实实的长长的东西。他当时问奥斯瓦尔德里面是什么，对方给他的回答是窗帘。李·奥斯瓦尔德的妻子也被调查局探员们调查，她的妻子说自己曾在家中见过一支卡尔卡诺6.5毫米步枪。探员们对奥斯瓦尔德房间进行了搜查，发现了一张得克萨斯州教科书仓库大楼附近的地图，图中用黑笔标出了从教科书仓库大楼到总统被害地点这段距离。

调查继续进行。联邦调查局根据在教科书仓库大楼六楼窗口附近查获步枪上的编号查明，该枪来自芝加哥一家邮购商行。他们找到了这家商店，商店的雇员作证说，的确曾有人向他们订购过一支意大利制造的卡尔卡诺6.5毫米步枪。联邦调查局发现李·奥斯瓦尔德订购这支枪时用的是假名，可通过笔迹鉴定，探员们确信就是李·奥斯瓦尔德本人。

联邦调查局的弹道学家再次做出证明，枪击了总统的子弹就是从查获的步枪中射出的，枪上还留有奥斯瓦尔德的指纹。与此同时，在奥斯瓦尔德枪杀警察的现场，有人也做证说就是他杀掉了一名警察。联邦调查局最后认定：在枪击总统的现场找到的子弹壳都与李·奥斯瓦尔德被捕时所持的手枪吻合。所以，奥斯瓦尔德就是刺杀肯尼迪的凶手，他随即被逮捕。

奥斯瓦尔德自11月24日早晨之后，永远没有任何机会说任何话了。这天早晨，达拉斯市警察局准备把他从警察总部转移到县监狱去，在众多警察和联邦调查局特工们的防范和报社记者的围观下，奥斯瓦尔德被押了出来。可就在他刚露面时，拥挤的人群中突然冲出一个人来，举起枪向奥斯瓦尔德的腹部开了一枪。当他准备再补一枪的时候，联邦调查局的特工们蜂拥而上，将他活捉。李·奥斯瓦尔德没有送到医院进行救治，因为他已经当场毙命。袭击奥斯瓦尔德的人叫杰克·鲁比，他被当场逮捕，而关于他的审理卷宗却始终是个秘密不公诸于众。他为什么要杀奥斯瓦尔德，世人无法得知。此人后来因癌症于监狱中死亡。