Quando os Martins não voltaram para casa naquela noite, as autoridades foram notificadas. Eles conseguiram estabelecer que a família havia sido vista em um posto de gasolina ao longo de sua rota e mais tarde saindo de um restaurante em Hood River, Oregon, mas depois disso seu paradeiro tornou-se um mistério. Uma busca na casa de Martin mostrou que tudo estava em ordem. Não faltou nada, exceto o que eles levaram em sua viagem, a roupa lavada na máquina de lavar, a louça da refeição anterior estava na pia, havia uma quantidade substancial de dinheiro em casa e nenhum sinal de que eles tivessem voltado para casa. A conta bancária de Martin também mostrou que nenhum dinheiro foi retirado, nem o cartão de crédito foi usado.
Uma vez que não foi encontrada nenhuma razão para a família querer fugir repentinamente sem nenhum de seus pertences e dinheiro, uma das primeiras ideias que a polícia teve foi que o carro da família havia batido de alguma forma no rio Columbia, com base em alguns marcas de pneus suspeitas que foram encontradas indo de uma área de estacionamento para um penhasco, bem como lascas de tinta que pareciam ser de um carro da mesma marca, modelo e esquema de cores do carro de Martin, porém nenhum sinal do carro real foi descoberto no rio apesar das buscas intensas. Também não havia sinal dos corpos, e nenhuma evidência realmente concreta. O Corpo de Engenheiros do Exército dos Estados Unidos baixou o nível do rio em 5 pés perto da represa Bonneville e usou a tecnologia de sonar para vasculhar o fundo do rio, mas não encontrou nada.
No mesmo dia em que a família desapareceu, um Chevrolet branco roubado e abandonado foi encontrado na área de Cascade Locks, não muito longe de onde a família Martin teria desaparecido. Descobriu-se que o carro foi roubado na Califórnia, a cerca de 700 milhas de distância, mas a princípio a polícia não fez nenhuma conexão entre ele e o desaparecimento. No entanto, no dia seguinte, os ladrões do carro foram encontrados, um homem chamado Roy Light e outro homem sem nome, que surpreendentemente foi relatado por uma garçonete como tendo estado no restaurante onde os Martins haviam sido vistos pela última vez no mesmo dia. A garçonete chegaria a afirmar que os dois homens partiram ao mesmo tempo que a família. Inacreditavelmente, a polícia decidiu não prosseguir com o assunto, considerando-o sem significado, e os dois homens não foram interrogados em relação ao caso Martin. Também foi encontrada uma luva de mulher perto do carro, e uma pistola Colt Commander .38 foi encontrada escondida nos arbustos perto do carro abandonado, com sangue seco como se tivesse sido usada para bater em alguém. Estranhamente, essa arma nunca foi processada como prova e a polícia não a investigou.
Em fevereiro de 1959, os corpos de Susan e Virginia foram tragicamente encontrados mortos rio abaixo nas margens do rio Columbia, e embora os corpos estivessem decompostos além do reconhecimento, o legista determinou que a causa da morte foi afogamento. Estranhamente, os dois corpos foram encontrados a 30 milhas um do outro, e o corpo de Virgínia tinha um buraco na cabeça, cuja causa nunca foi determinada. No entanto, para a polícia, essa era uma prova muito forte de que o carro realmente havia entrado no rio, mas nem todos tinham tanta certeza. Um detetive que suspeitou que algo errado estava acontecendo foi Walter Graven, o detetive do condado de Multnomah encarregado de investigar o caso de Martin. Graven não acreditou na teoria de que tinha sido um acidente. Em vez disso, ele estava convencido de que algum tipo de assassinato aconteceu. A ideia de que o carro havia caído do penhasco para desaparecer tão completamente, somada a todas as outras pistas díspares, não combinava para ele, e para o autor de Portland, JB Fisher, que escreveu um livro sobre o caso chamado “Eco de águas distantes: o desaparecimento da família Martin de Portland em 1958”, também não concordou de ter sido um acidente.
Graven continuou descobrindo algumas pistas interessantes no processo. Ele rastreou a arma que foi encontrada perto do carro roubado abandonado perto de uma loja de departamentos chamada Meier e Frank, o que em si não é tão estranho, mas Graven descobriu mais. Acontece que o único membro sobrevivente da família Martin, o filho mais velho Donald Martin, que estava trabalhando na base da Marinha de Nova York na época, já havia trabalhado não apenas naquela loja de departamentos, mas também foi acusado de roubar aquela mesma arma. Também chamou a atenção de Graven para o fato de que Donald andava muito mal com sua família, e não apenas isso, mas ele não se juntou à busca por sua família e nem mesmo compareceu ao serviço fúnebre. Graven contatou Donald por telefone, durante o qual Donald disse: "Não conheço ninguém que mataria meus pais ou nenhuma razão para isso, mas não vejo como isso poderia ter sido um acidente." Tudo isso foi visto como altamente suspeito, e Graven considerou Donald um suspeito, mas nunca houve nenhuma evidência sólida para provar isso, Donald Martin nunca foi preso ou acusado de qualquer coisa a ver com o desaparecimento de sua família, e ele morreu em 2003 levando todos os segredos para o túmulo com ele.
Graven nunca foi capaz de resolver o caso, sendo uma obsessão para ele pelo resto de sua vida, perseguindo-o até sua morte em 1988. Nos anos posteriores, houve mais alguns esforços de busca em rios, mas nunca apareceram novas provas. O caso foi meio que abandonado depois de um tempo, e os membros restantes da família nunca foram encontrados, nem o carro deles. Considerando que na época foi uma das maiores buscas e caçadas que Oregon já viu, é curioso como o caso Martin se tornou obscuro e como parece ser varrido para debaixo do tapete. Quando questionado em uma entrevista por que o caso Martin foi tão ignorado em comparação com casos mais famosos do noroeste, JB Fisher disse:
Não tenho uma boa resposta para isso. Em 1958-59, por quase um ano, recebeu cobertura quase diária no The Oregonian e no Oregon Journal. Quando Ann Sullivan e Margie Boulé cobriram a história (para o The Oregonian) no final dos anos 60 e 90, respectivamente, houve um interesse renovado. Uma explicação pode ser a absoluta complexidade do caso. Ao contrário de DB Cooper, que pelo menos tem um começo e meio um tanto claros (mas nenhum final definido), o caso da família Martin é incerto a cada passo e todas as perguntas não foram respondidas - para onde foram, o que aconteceu com eles, por que o caso não foi resolvido, etc.