A portugál rendőrség, a Guarda Nacional Republicana első megállapítása szerint a kislányt elrabolták.[2] További nyomozás után a Polícia Judiciária (a portugál nyomozóhivatal) kijelentette, hogy feltételezésük szerint a kislány meghalt a szobában, mielőtt elvitték onnan. A nyomozás során többen is állították, hogy látták Madeleine-t Portugáliában vagy máshol. Annak ellenére, hogy több bizonyítékot is találtak, a rendőrség kijelentette, hogy a nyomozás még messze áll attól, hogy eredményt hozzon. 2007. szeptember 7-én bejelentették, hogy megtalálták Madeleine vérnyomait egy kocsiban, amit szülei 25 nappal az eltűnése után béreltek; ennek következtében anyját, Kate McCannt gyanúsítottá (arguida) nyilvánították.[3]
A nyomozásban a brit és a portugál rendőrség együttműködik; hamar nyilvánvalóvá vált a két ország rendőrségének módszerei közti eltérés, például az ügyben érintettek jogi státusát, illetve a nyilvánosságra hozott információk mennyiségét illetően. Az esetet a média figyelemmel követi, és számos híres ember is felhívta rá a figyelmet.
