在徐步高的寓所内查到的大批物品中，除了一批书信、日记、文件及大叠剪报资料外，还有一台电脑。警方搜查徐步高的计算机资料时，电脑中把一些财经、名人及警政的消息分门别类存盘，但以高官的资料最齐全，包括独立议员黄宜弘及港区人大代表邬维庸等政治人物的记录。并发现一个机密文件档案内竟有董建华的个人资料、座车牌照号码，以及多张董建华在港府及官邸出入的照片，还有一些董建华起居、保镖情况的记录，探员又在日记内发现一些字句，其中提到“要做件惊天动地的事”。由此，警方推断他当时曾计划作出极端行为，对董建华不利。警方同时发现一本属于徐步高的记事簿，记录了尖沙咀警署若干警员的巡逻资料、时间及位置，其中包括枪击案中殉职警员曾国恒及警员冼家强的资料。侦缉高级督察游乃强还在徐步高2005年的记事簿中找到，他有多项关于侦查驻港部队解放军的记录，如“2005年4月18日，15∶00，枪会山交更，2人接2人，guard（军人）有枪、接更人没枪”。当时高层希望能够确认这名潜藏警队5年的“警魔”是否另有同党，以及他单枪匹马企图抢夺两支警枪及24发子弹的真正目的。
2001年，就在徐步高晋升警长的面试失败后几个月，港警梁成恩被人杀死，梁携带的佩枪从此神秘失踪。同年年底，该支失枪首次露面，就被一名蒙面男子使用于抢劫银行，一名护卫员死于枪下。警方悬红100万港币，但始终无法抓获凶手。直至17日凌晨，这支失枪第二次出现，香港警方才将以前两宗案件与徐步高联系在一起。而当警方重新拿出他们在2001年拼出的凶手拼图，发现竟与徐步高像得出奇，因此警方在案发后怀疑徐步高就是此前两宗案件的凶手，并进而怀疑他与一宗运钞车劫案有关联。香港案件记录里，在此案案发前这三宗案件全都是悬案。徐步高申请加入飞虎队，最后失败；申请做警长，得不到上级推荐也失败；申请去做机场特警，又因为年纪太大再次落榜，这一连串的事件对他来说是非常大的打击，因此这些和多宗案件发生时间相吻合的事情，很可能是促使他走上魔警之路的原因。
多日后，受伤警员冼家强康复情况良好，开始回忆案发前后的细节，协助O记探员查案。案发前警员曾国恒及冼家强用对讲机与警察电台的通话及记录的录音带，当时还有其他巡逻警员通过radio听过。O记围绕这段对话作了技术上及逻辑上的分析。调查显示，曾国恒及冼家强在中枪前片刻已知疑凶的抢枪目的，随后便发生枪击案，疑凶徐步高不是突然现身以及一见到两名警员便开枪，而是徐是设了“求助诱警”的骗局，令两名警员降低警觉性，才突然拔枪施袭。冼家强回忆，徐在案发前的瞬间，貌似要向两警求助，但三人没有言语沟通。警方在调查涉案三人是否认识时，发现两名巡逻警员均不认识徐步高，而且曾国恒从九龙城警区刚调过来一周，和冼家强也不是很熟悉。此外，警方发现疑凶在尖沙咀枪击案所用的作案手法，与当年警员梁成恩被诱骗到石桃楼的做法模式相同，特别是两案均发生在两个“巡警辖区”
的分界地段，显示疑凶对警员巡逻区域、交班时间等内部信息及逃走路线精心部署，而且针对警员及抢警枪的计划非常周密，自信心很高。
当日案发现场，探员在徐步高身上搜出一条附有车牌号码的电单车车匙，根据车主登记资料，发现该车为另一警员所有，但案发后在附近没有找到电单车。后来警方在18日，派出新界北快速应变部队近50人，在东涌一带展开大规模的搜索，警员全部戴上白手套，持地图环绕达东路、东涌地铁站对开搜索。当时警员分成三人一组，沿路边、墙角等停泊电单车的地点搜查。由于警员一直未发现目标电单车，后来有媒体称有“第四人”为徐步高的同伙骑走了电单车，一度传闻四起。
但是随后几日，遂将搜查范围扩大至裕东苑外，O记根据徐步高设计的逃跑路线逐步细致搜索，最后在逸东邨停车场内找到了电单车，而在油麻地官涌街找到了一辆失窃客货车，证实为徐步高驾驶过来，由于当时怀疑车辆附近有丢弃枪械，警方派出O记探员、重点搜查队队员及超过60多名机动部队警员，重返现场利用金属探测仪作地毯式搜查，寻找枪支或子弹但没有结果，因此不存在协犯之说。警方在徐步高的电单车内寻获一张记录了巡警到广东道政府合署签簿的时间、巡警数目等资料的纸张，由此可分析出广东道行人隧道是尖沙咀警区及油麻地警区的警员巡逻交界，两区警员巡逻时都会经过隧道，但经由不同出口离开，路线不会重叠。警方推测是徐步高特意抄下两区警员签更时间，得悉凌晨1时半前两区的警员不会同时在隧道内出现。但是徐步高自己是警员，熟悉警区配置和人员情况，为何不选择偏僻警区抢劫巡逻警员枪支，而计划在繁华地段行动，更重要的是当时在尖沙咀警署正在开展呼声特别高、管理严格的“全警反黑”活动，实在令人费解。
警方后来模拟了徐步高的行动前路线，在尖沙咀警员枪击案发生前一个半小时左右，徐步高于2006年3月16日晚上11时48分，下班离开东涌警署，徒步前往东涌裕东苑的停车场取电单车，花4分钟驾电单车往逸东邨家兴停车场。其后，他转而驾驶一部报失客货车，由东涌开往油麻地官涌街，泊车后步行抵达案发现场。警方模拟所需时间约为33分钟，推测他当晚12时21分抵达现场，然后一直等待最佳作案时间。探员在徐步高的电单车搜获与他离开警署时穿着的衣物，相信他已经更衣作好准备了。根据当时徐步高在日记中的记载：需要大量子弹做大事。看来他真的是早已作好了准备。
香港的很多地下隧道内都装有弧形镜，用来保证行人穿越时视野开阔。
鉴证部门协同法医官和军火专家在案发现场模拟案情时发现，枪战现场隧道的盲点上装有的反射镜被移动过，疑犯在隧道藏身，能从反射镜看到警员出现，可以看见两名警察的动作。行人隧道内管道及平台附近共有5面凸镜，其中4面证实曾经被人移动过，使凶徒能观察警员进出而不被发觉，而移动后的凸镜，警察则看不见疑犯的动作。当时负责O记带队的吴炳权警司解释，根据推理应该是徐步高案发前在现场作过准备，但不存在偷袭情况，双方是正面交火，冼家强的口供是合理而真实的。案发时枪战共发射10颗子弹，找到10个弹壳和弹痕，冼家强开了2枪，曾国恒开了5枪，徐步高开了3枪。当时隶属行动处总部的模型精英“训示支持组”的10多名警员，在屯门警区助理指挥官钱志聪警司率领下，实地勘察及量度现场的长度、高度及角度等数据，在法庭上制造还原实物的模型，该队虽非直接参与调查枪击案，但作为原先以反恐为目标的专业小组，可以为解构现场提供专业支持，帮助法庭解读徐步高、曾国恒及冼家强在案发现场身处的位置，并提供有关地理、地形和建筑结构的详细资料，令死因裁判官更容易掌握案发经过，这些都有力地证明了判定徐步高有罪和曾国恒殉职的事实的真实性。
警队军械法证专家周俊杰在法庭回应死因研讯主任陆贻信的提问时说，法医官解剖徐步高尸身时，在其体内找到四粒弹头和一块子弹碎片，还有一粒子弹是早前由警员到医院检验尸身时，在徐步高胸口上面正中找到，弹头不在体内。经核对子弹痕迹，证实是5颗点三八口径子弹，且悉数由曾国恒的佩枪发射。周俊杰替梁成恩失枪作测试时，得出的结果却是以来复线作基准。他比较同类子弹，发觉失枪的子弹有五条来复线向右旋转，这跟曾国恒体内检到的弹壳来复线方向吻合。法庭证供显示，这一枪是徐步高发射的。周俊杰称法医官从曾国恒身上发现一颗已发射铅弹芯以及铜壳和碎片，而曾面部有纹理，是手枪在近距离发射时留下。
理论上开枪时要先打着火帽，产生轻微爆炸，火光进入弹壳，点燃火药，产生气体逼出子弹，其间火帽和火药的残余物会近距离释出，渗入到曾的面颊，形成斑点状的纹理。周俊杰曾为徐步高及曾国恒两人作开枪手痕迹测试，即试过用黄色混合物测试剂，涂在曾国恒和徐步高的手掌，若手掌变深紫黄色，便是曾经接触过铁的物质，但是两人的掌心染有干涸的血迹，使测试没有什么效果。曾国恒的警枪是点三八special，由于弹壳上方有凸出的铅芯，所以接触不到来复线。开枪顺序就是，第一枪徐步高打中冼家强头部；第二枪徐步高打中曾国恒头部；第三枪徐步高打中冼家强小腿；第四枪冼家强没有击中徐步高；第五枪卡壳，真正发射的第五枪冼家强没有打中徐步高；第六枪到第十枪曾国恒连续击中徐步高。
电影中经常出现的双方持枪对视，同时开火，结果不一定是同时死亡，如果瞄得够准，射击也许会存在有一个人先开枪就侥幸存活的。在创伤弹道学和人体生物学理论中，神经中枢并未布满头部，只有击中大脑或面部额头的T区，才能使疑犯立即丧失战斗力，瞬间死亡。案发时徐步高如果是射中曾国恒和冼家强的面部T区，曾国恒和冼家强是绝不可能向徐步高反击的。在当时，如果曾国恒和徐步高只要有一人懂得射击T区原理，尖沙咀枪击案将会是另外一种结果。因为人体心脏或内脏、肌肉组织中弹，行为信号、生物电传导还能再控制肌肉开枪，专家分析，牺牲的曾国恒警员对徐步高开的5枪，就是在头部中弹倒地后没有破坏中枢神经仍然清醒时击中徐步高的心脏和肺部等。看来古代人被斩首后脑袋落地还能眨眼睛是有科学依据的，劲!港警梁成恩殉职于2001年3月14日，警编号34345。2000年7月下旬，梁成恩调往梨木树警署，担任分区第三队小队长，职责包括编更。梨木树区分成28个咇份（区份），只有16个咇份有警员巡逻，早午夜及通宵更分成两段时间上班，以免转更时造成真空情况。