Уже в апреле 1969 года на Черном море были проведены учения по подъему подводной лодки с грунта, в ходе которых выяснилось, что для успешного подъема с большой глубины необходима надежная амортизация подъемных устройств. Такие устройства были в срочном порядке разработаны и изготовлены из особо прочных капроновых тросов.

Первоначально для подъема предполагалось использовать специальное захватывающее устройство, которое срочно начали изготавливать на горьковском заводе «Красное Сормово». Однако затем в силу ряда причин этот проект пересмотрели, и было принято решение поднимать С-80 с помощью специальных металлических полотенец.

3 мая 1969 года к месту трагедии направились три корабля экспедиции. Операция «Глубина» началась. Первым делом корабли, прибыв в расчетную точку, над местом гибели лодки выставили ограждение из шести рейдовых бочек. Затем в центр этого ограждения вошло новейшее спасательное судно «Карпаты» водоизмещением в 10 тысяч тонн. Оно имело два 750-тонных подъемника, работающих как раздельно, так и в паре, а кроме того по одному подъемнику в 100 и 60 тонн и два – по 10 тонн. Именно «Карпатам» отводилась главная роль в начинающихся работах.

Непосредственно же работы по подъему подводной лодки начались 9 июня 1969 года. Сначала подводную лодку очистили от сетей. Затем под ее нос и корму подвели специальные металлические полотенца. Операцию затрудняли постоянная зыбь, неустойчивая погода и малая прозрачность воды, вызванная цветением планктона. Проводимым работам постоянно мешало и разведывательное норвежское судно «Мариетта», которое в своем стремлении выяснить, что же делают русские, маневрировало слишком близко. Норвежцев несколько раз предупреждали, однако действия это не возымело. Пришлось разведывательное судно достаточно бесцеремонно вытеснить из района. Помимо назойливой «Мариетты» то и дело появлялись невесть откуда взявшиеся английские траулеры. В воздухе непрерывно патрулировали самолеты «Нептун». Противник в «холодной войне» никак не мог уяснить суть проводимых работ, а потому нервничал. Но несмотря ни на что операция по подъему подводной лодки продолжалась круглосуточно.

После того как под корпус С-80 завели полотенца и стропы, пришлось несколько дней пережидать внезапный шторм. Едва он стих, начали подъем. Мощные подъемники «Карпат» медленно оторвали С-80 от грунта, и она как бы повисла на тросах.

К 10 июля лодку удалось поднять на 110 метров. Затем «Карпаты» дали самый малый ход вперед, и вся флотилия спасателей осторожно двинулась к берегу. Впереди шли два тральщика, прощупывая гидроакустическими станциями и эхотралами дно. Еще два тральщика прикрывали «Карпаты» слева и справа. Самим же «Карпатам» помогали двигаться на буксире спасатель СС-44 и морской буксир СБ–155. Еще несколько небольших судов подстраховывали их на случай обрыва троса. Скорость всей флотилии не превышала двух с половиной узлов. На больших ходах гини начинали опасно вибрировать и могли не выдержать нагрузки. Движение было скрытным. Очень кстати оказался внезапный сильный туман, позволивший нашим спасателям незаметно для натовского разведсудна уйти из полигона. Когда же туман рассеялся и «Мариетта» вернулась в район спасательных работ, там уже никого не было. Раздосадованные натовцы принялись палить из крупнокалиберного пулемета по оставшемуся на месте боковому заграждению.

К слову сказать, нашим морякам удалось до самого конца работ сохранить в тайне цель операции «Глубина». В тот год американцы и норвежцы так и не узнали, чем так долго и настойчиво занимались советские спасательные суда севернее полуострова Рыбачий. Дотошные специалисты «Джейн» (ежегодный английский справочник кораблей ВМФ всего мира) в течение восьми лет так и не заметили исчезновения из списков нашего флота подводного дизельного ракетоносца с бортовым номером 552…

11 июля С-80 отбуксировали в бухту Завалишина Тириберской губы. Там на глубине 51 метра гини были перестроены, и С-80 стали поднимать на поверхность. За подъемом наблюдали из-под воды со специальных камер.

24 июля С-80 была поднята на поверхность и предъявлена комиссии для установления причин гибели.

Как отмечено в заключении комиссии: «Подъем подводной лодки с глубины в двести метров был осуществлен впервые в мировой практике судоподъема. Впервые все глубоководные работы были произведены безводолазно, исключительно с помощью специальных рабочих камер с манипуляторами и наблюдательной камеры, подводных телевизоров. Вся операция осуществлена за 34 дня в сложных погодных условиях».

Внешний осмотр С-80 показал, что у подводной лодки видимых повреждений нет. Все ее люки были задраенными, ракетные контейнеры повреждений не имели, однако корпус сильно изъеден ржавчиной. Днище лодки оказалось сильно вмятым, что было, по-видимому, связано с ударом о грунт при падении. Перед вскрытием люков взяты пробы воздушной среды в первом, третьем и седьмом отсеках. Анализ показал, что кислорода в отсеках практически нет. В первом отсеке он составлял всего 0, 9 процента, в третьем –3,1 процента и в седьмом – 5,1 процента. Для специалистов это говорило о том, что люди, находясь там, дышали и жили еще некоторое время после катастрофы. Зато во всех трех отсеках было много водорода, выделившегося, скорее всего, вследствии электролиза при затоплении аккумуляторных батарей, а также оксида углерода – из-за разложения человеческих тел.

После первичного внешнего обследования подводную лодку провентилировали и продули азотом. 29 июля, когда в отсеках была, наконец, создана безопасная среда, вскрыли верхнюю крышку люка седьмого отсека (нижняя была открыта) и верхний рубочный люк.

Первоначально в отсеки С-80 спускались в аппаратах ИСП-60, затем, когда содержание оксида углерода значительно снизилось, а уровень кислорода повысился, работы продолжались в фильтрующих противогазах, а затем и без них.

Первыми в подводную лодку были направлены инженер-механики лодок аналогичного проекта, привлеченные для работы в комиссии. Они выяснили, что все отсеки были заполнены водой, однако почти в каждом имелась воздушная подушка в 60–75 сантиметров. Кормовая и носовая переборки третьего отсека сильно разрушены и разорваны на уровне настила аккумуляторных батарей. Разрывы металла в сторону носа. Верхняя часть кормовой переборки третьего отсека с закрытой входной круглой дверью загнута к подволоку третьего отсека. Носовая переборка загнута в сторону второго отсека. Межотсечная дверь при этом сорвана с кремальерного запора. Большинство механизмов во втором, третьем и четвертом отсеках сорвано со своих мест. Штурманская рубка и рубка РТС (радио-техническая служба) смяты, все сорвано. Радиорубка у кормовой переборки второго отсека полностью смята. В остальных отсеках повреждений нет. Вертикальный руль зафиксирован в положении 18 градусов на правый борт. Носовой и кормовой горизонтальные рули в положении 12 и 28 градусов на всплытие. Воздух всех групп, кроме командирских, полностью стравлен.

При обследовании отсеков обнаружены следующие документы: навигационный журнал, дифферентовочный журнал, журнал хронометров и часов, журнал организации службы, записная книжка штурмана, вахтенный радиожурнал и журнал гидроакустиков. Черновой вахтенный журнал центрального поста найти не удалось. Судя по времени, зафиксированном на часах, второй отсек был затоплен в 1 час 32 минуты, третий – в 1 час 29 минут и четвертый отсек – в 1 час 28 минут. Все данные указывали на то, что С-80 в момент, предшествующий катастрофе, шла в подводном положении под РДП при боевой готовности № 2. В третьем отсеке находилась первая боевая смена.