Согласно экспертизе, Федорова была убита из огнестрельного оружия. Убийца подошел к жертве сзади и выстрелил в затылок. Пуля вышла через глаз. Выстрел был произведен из пистолета бельгийского производства системы "Зауэр", модели 38, калибра 7,65 мм. В момент выстрела актриса сидела за столом, на котором в беспорядке находились различные предметы домашнего обихода, бумаги с телефонными номерами и адресами. Телефонная трубка была крепко зажата в руке убитой.
Для расследования этого громкого убийства была создана мощная оперативно-следственная бригада, в которую вошли настоящие асы своего дела: следователи столичной прокуратуры, сыщики МУРа и угро УВД Киевского райисполкома, а также один представитель КГБ. Присутствие последнего объяснялось просто: во-первых, убийство знаменитой актрисы проходило по категории резонансных и Лубянка не могла остаться в стороне от него, и во-вторых - связи покойной с "бриллиантовой" мафией вызывали повышенный интерес у КГБ.
Первый вопрос, который задали себе сыщики был такой: каким образом убийца проник в квартиру жертвы. Согласно показаниям многочисленных свидетелей, Федорова отличалась крайней осторожностью. Имея дела с "бриллиантовой" мафией, она прекрасно понимала всю степень риска, который сопутствовал ее деятельности. Во всяком случае никто из ее соседей и даже техник-смотритель ни разу (!) не были у нее дома. Узнав человека через "глазок" двери, Федорова обычно просила гостя спуститься вниз и подождать ее во дворе. Там и происходила встреча. Тех людей, кого актриса все-таки впускала в свой дом, можно было пересчитать по пальцам: в их число входили близкие родственники, та самая подруга, которая приходила к ней в роковой день, да еще несколько человек, в том числе и те, кто был связан с "бриллиантовой" мафией. Подруга рассказала сыщикам, что незадолго до убийства она стала свидетелем появления этих людей у Федоровой: между ними состоялся какой-то торг, видимо, по поводу бриллиантов. Сыщики затем установили, что убитая неплохо разбиралась в ценах на драгоценные металлы и дорогие камни. Однако в самой квартире покойной никаких "камней" найдено не было: только 60 пустых коробочек из-под ювелирных изделий и большое количество чемоданов, ящиков и нераспакованных коробок с вещами. Так и осталось неизвестным куда подевалось содержимое коробочек из-под драгоценностей: то ли Федорова сама избавилась от них, то ли их прихватил убийца. Однако если вторая версия верна, остался без ответа другой вопрос: почему преступник не взял деньги, находившиеся здесь же?
Осталось загадкой и то, каким образом убийца проник в квартиру жертвы. В равной степени можно было предположить, что актриса, узнав его в "глазок", сама впустила его к себе, либо он вошел туда незаметно, использовав дубликат ключей, сделанный им заранее. Вторая версия выглядит убедительней: видимо, в тот момент когда преступник входил в квартиру, Федорова разговаривала по телефону. Поэтому выстрел и застал ее врасплох. Вряд ли она стала бы разговаривать с кем-то по телефону, если бы рядом находился кто-то посторонний.
Сыщики выдвинули сразу несколько версий убийства. Приоритетными были четыре: убийство на почве "бриллиантового" бизнеса, с целью ограбления, по личным и политическим мотивам. Последняя версия отпала быстрее всех. Сыщики раскопали, что Федорова грозилась подать на эмиграцию из страны в случае, если ее не выпустят погостить у дочери в США, однако вопрос о том, кому было выгодно убивать ее за это, так и повис в воздухе.
Версия убийства с целью ограбления "хромала" по одной причине: следов активного поиска драгоценностей в квартире обнаружено не было. А что это за грабитель, который ничего в доме у жертвы не ищет? И хотя кое-какие вещи из квартиры пропали, однако сыщики быстро раскусили этот маневр преступника он явно имитировал попытку ограбления.
Третья версия - убийство по личным мотивам - тоже ни к чему не привела. Оказалось, что у актрисы было не так много недоброжелателей, но даже среди них не нашлось человека, которому покойная могла "насолить" настолько, чтобы тот взялся за пистолет. И, наконец, четвертая версия убийство, связанное с "бриллиантовым" бизнесом. Долгое время она выглядела предпочтительнее всех остальных. Однако и отработать ее оказалось намного сложнее. В записных книжках покойной сыщики насчитали 2032 телефонных номера, 1398 почтовых адресов, из которых 971 были московские и 427 иногородние. Чтобы проверить их все понадобилась не одна неделя. Однако эта проверка ничего и не дала. В ходе работы над этой версией в поле зрения сыщиков попали весьма высокопоставленные деятели, которые имели контакты с покойной по "бриллиантовым" делам. Однако, чтобы допросить этих людей требовалось указание свыше, которое, естественно, не последовало. Кто же позволил бы в 81-м году вызвать на допрос ту же Галину Брежневу?! Однако именно эта версия, скорее всего, и таит в себе разгадку этого преступления. Вспомним: после того как Федоровой отказали в очередной поездке к дочери в Америку, она стала грозить эмиграцией. Что если она в отчаянии отправилась к кому-то из тех высокопоставленных деятелей, с кем была связана по "бриллиантовым" делам и попросила помочь с получением визы. Однако и там получив отказ, не нашла ничего лучшего как начать шантажировать этого деятеля. А в том, что Федорова действительно знала очень много про темные делишки элиты, проживающей на том же Кутузовском проспекте, сомневаться не приходится. Видимо, этим она и подписала себе смертный приговор. Между тем даже после смерти знаменитая актриса не знала покоя. Родной "Мосфильм", на котором она проработала не один десяток лет, отказал в том, чтобы выделить зал для гражданской панихиды. В то же время ОВИР не позволил дочери актрисы Виктории приехать в Москву на похороны матери. Над дочерью откровенно издевались: "Кто такая Зоя Федорова? У нас на нее нет никакой информации...". Возмущенная подобным заявлением, Виктория положила свой советский паспорт в конверт и отправила его в посольство СССР. В течение нескольких дней родственники погибшей обивали пороги начальственных кабинетов, пытаясь похоронить ее на одном из городских кладбищ. Наконец с привеликим трудом удалось выбить место на Ваганьковском. На похороны пришли более тысячи человек, хотя власти делали все возможное, чтобы это мероприятие осталось в тайне - надвигалось 75-летие Леонида Брежнева и в столице готовились пышные торжества по этому поводу. По мнению устроителей праздника, смерть даже знаменитой актрисы не должна была испортить юбилей. Два месяца следственно-оперативная бригада билась над разгадкой тайны гибели Зои Федоровой. Однако несмотря на все старания лучших следователей прокуратуры и сыщиков угро найти организаторов и исполнителей этого преступления так и не удалось. Дело перешло в разряд "глухих". Не способствовало успешному исходу этого дела и давняя вражда между главами двух ведомств, участвовавших в расследовании преступления: министра внутренних дел Николая Щелокова и председателя КГБ Юрия Андропова. О том, каких масштабов достигла эта взаимная неприязнь говорит хотя бы такой факт: спустя месяц после убийства сотрудники КГБ под покровом ночи провели на Ваганьковском кладбище эксгумацию тела Зои Федоровой. Видимо, чекисты не слишком доверяли акту экспертизы, проведенному сотрудниками МВД. Чуть позже в Москве стали усиленно муссироваться версия о том, что к гибели знаменитой актрисы непосредственно причастен Щелоков. Официально эту версию впервые обнародовал в конце 80-х писатель Юрий Нагибин в своем рассказе "Афанасьич". Согласно этой версии, Щелоков заказал убийство Федоровой после того, как узнал о существовании в ее коллекции редкого колье, которое он пожелал подарить своей супруге - большой любительнице "камней". О том, каким образом колье попало в коллекцию актрисы Нагибин ничего не сообщает, между тем на этот счет существует еще одна версия. Согласно ей, в середине 40-х дорогую вещь Федоровой подарил ее возлюбленный - Джексон Тэйт. Многие годы этот подарок находился в коллекции актрисы, напоминая ей о счастливом времени, проведенном вместе с возлюбленным. В 1980 году актриса попыталась увезти колье к дочери в Америку, однако таможня не позволила ей этого сделать, объявив, что на такую ценную вещь необходимо специальное разрешение. Федорова отправилась за этим разрешением, но через несколько дней была убита. Позже это колье якобы было обнаружено среди вещей застрелившегося генерала Щелокова. Версия Нагибина выглядит красиво, но малоправдоподобно. Первым ее разоблачителем был другой известный писатель Юлиан Семенов. В своей повести "Тайна Кутузовского проспекта" он мотивировал свои сомнения следующим аргументом. Федорова часто устраивала "левые" концерты артистов, и МВД было прекрасно об этом осведомлено. Поэтому убивать актрису не требовалось. Достаточно было завести на нее уголовное дело, прийти с обыском и конфисковать бесценную реликвию. Несмотря на то, что дело по факту убийства Зои Федоровой перешло в разряд "висяков", сыщикам, распутывавшим его, видимо, были известны имена тех, кто заказал устранение актрисы. Иначе чем объяснить тот факт, что в сентябре 1984 года Виктория Федорова прислала в МУР письмо, в котором благодарила сыщиков "за найденную справедливость". Однако по непонятным до сих пор причинам подозреваемые так и не были привлечены к уголовной ответственности, их имена так и не стали достоянием гласности.