3.15마산의거로 인해 수많은 인명피해가 발생하자 국회에서는 3월 22일 오후 마산사건에 대한 특별조사위원회를 6(여):5(야)의 비율로 내무, 법사위원회 합동으로 구성하고 23일부터 27일까지 5일간 조사활동을 벌였다. 조사위원회는 23일 오전 제1차 회의를 열었다. 회의에서는 24일 오전 10시에 경남지사실에서 제2차 회의를 열고 경남지사, 경남경찰국장 및 사건 관여 검사들의 증언을 청취하고 25일부터 마산현지에서 본격적인 조사에 착수하기로 결정했다.

3월 24일 국회조사단은 오전 10시 20분부터 경남도청회의실에서 신도성 경남지사 및 최남규 경찰국장의 증언을 청취했다. 오후에는 부산지검장의 중언을 청취했다. 

3월 25일 오전 10시 반부터 마산시장실에서 손석래 전 마산경찰서장의 증언을 청취하였다. 손 전 서장은 발포명령은 자신이 하였다고 시인하면서 만약 당시에 발포를 안했다면 개표장인 시청은 물론 마산 시가는 불바다가 되었을 것이라고 주장하였다. 그는 또한 사망자는 오발 혹은 유탄 등으로 인한 것이며 부상자는 폭도들 자신들이 서로 곤봉 등으로 때리고 밟고 하여 발생한 것이라고 증언했다. 처음으로 발포한 지점은 오후 6시 30분 경 남성동파출소로 당시는 서장의 명령 없이 경찰관의 재량에 의해 발포했으며 51발의 발포로 인하여 중상 6명과 경상 10명이 발생했다고 말했다. 시청 앞에서는 자신의 명령에 의해 8명의 경찰관이 393발을 발사, 오동동파출소에서는 오후 9시 10분 경 발포했고, 북마산파출소는 오후 8시 30분경 소각 당했다고 증언하였다. 오후에는 손 전 서장과 5명의 경찰관을 심문했다. 손 전 서장은 “개표장인 시청 앞에서 약 300미터 떨어진 당지 무학국민학교 앞까지 군중이 후퇴하였을 때도 발포하였다”고 시인했다. 당일 발포한 최루탄 보급처에 관련해서는 처음에는 1개월 전 경찰국으로부터 보급 받았다고 주장하다 나중에는 모르겠다고 애매한 태도를 취했다. 또한 손 전 서장은 사상자가 많이 발생한 것에 대해 어떻게 생각하느냐는 조사단 질문에 “대를 위하여 소를 희생시킨 것은 정당하다”는 취지의 답변을 하였다. 

3월 26일에는 경남도경 김경술 수사과장을 심문했다. 김경술 수사과장은 이번 사건으로 경찰에 연행된 사람은 총 232명으로 제1차에 162명을 석방한 후 70명에 대해 영장을 받고, 제2차 42명 석방, 제3차로 7명의 학생을 석방하고 21명을 구속 송청하였다고 설명했다. 김경술 수사과장은 마산사건과 파출소 방화는 모두 민주당의 지령에 의하여 발생한 것이라고 주장했다. 또한 고문 사실을 부정하며, 행방불명된 5명에 대해 아는 바 없다고 답변하였다. 오후 조사에서 시장, 특무대장, 39사단장을 비롯한 관계증인을 심문하고, 마산사건 진압에 사용된 연막탄이 39예비사단에서 제공된 것임을 밝혔다. 이 사실은 마산 특무대장 김창희 중령의 증언 및 39예비사단장 김희덕 준장에 의하여 증명되었다. 김희덕 준장의 증언에 의하면 15일 밤 10시경 사단 참모장으로부터 경찰에서 최루탄을 빌려달라는 연락을 받고 이를 지시하였는데, 사무착오로 연막탄으로 잘못 주었으나 곧 회수하였다고 한다. 이때 빌려준 연막탄은 33발로 그 중 5발을 경찰이 사용하고 나머지 28발을 회수했다고 증언하였다.

3월 27일 국회조사단은 경찰이 지나친 수사와 무자비한 고문을 자행했다는 결론을 내리고, 27일 오전 신도성 경남지사와 검찰 측에 시민을 고문한 경찰관을 구속하거나 형사조치 하도록 정식 요구하였다. 국회조사단은 27일 현장검증을 통해 무학국민학교의 담 벽에 깊이 파인 실탄 흔적과 남성동파출소에서 100미터 떨어진 창동 122번지 골목에 박힌 실탄 흔적 등으로 미루어보아 직사 총탄이라는 점과 위협 발사가 아니라는 점을 밝혀냈다. 국회조사단은 또한 마산형무소에 가서 수감 중인 5명의 민주당원과 1명의 신문기자 등으로부터 시위경위에 관한 증언을 청취했다. 국회조사단은 현장조사를 완료하고 27일 밤 귀경하였다.