I genitori furono svegliati dai suoi lamenti e Paolo chiese una borsa per il ghiaccio e riferì alla madre di rischiare il trauma cranico, a quel punto venne chiamato il medico di famiglia che ne dispose il ricovero e l'ambulanza lo trasportò al Policlinico Umberto I, dove arrivò alle ore 4:00 già in coma. Dal giorno dopo i suoi amici lo vegliarono per 7 giorni nella corsia del nosocomio. Durante la degenza, il 4 febbraio il Sindaco di Roma, Ugo Vetere, corse in ospedale e deplorò l'accaduto; il 5 febbraio il Presidente della Repubblica Sandro Pertini si recò anch'egli a trovare Di Nella in ospedale in visita privata, e gli fu comunicato che il coma era irreversibile Successivamente ebbe un breve colloquio con i familiari. L'agonia di Di Nella terminò il 9 febbraio alle 20:05, quando morì senza avere mai ripreso conoscenza. Il fatto suscitò reazioni di solidarietà. Giovanni Ferrara il 6 febbraio scrisse su Repubblica: "Abbiamo i titoli per dire che per noi questa non è la morte di un fascista, ma la morte di un uomo. E di più: di dire che se questo scelse di dirsi fascista e concepì per la sua vita futura di vivere da fascista, ebbene, aveva il diritto di scegliere e di vivere così." Arrivò anche un telegramma dal segretario del PCI, Enrico Berlinguer, ai familiari, che condannava fermamente l'agguato: «La morte del vostro giovanissimo Paolo, vittima di un'aggressione disumana, che ha scosso e sdegnato ogni coscienza civile, suscita anche il commosso compianto dei comunisti. Vi preghiamo di accogliere le nostre condoglianze e la nostra solidarietà. Enrico Berlinguer».
Dopo il decesso furono avviate indagini ed eseguite alcune perquisizioni nei confronti di ambienti dell'estrema sinistra del quartiere Africano. Il 14 febbraio un volantino di rivendicazione dell'agguato, firmato da Autonomia Operaia, fu ritrovato in una cabina telefonica proprio a piazza Gondar dopo una telefonata anonima al 113. Tra i sospettati finirono Corrado Quarra e Luca Baldassarre, militanti di Autonomia Operaia della zona. Quarra e Baldassarre, accortisi di essere controllati, si resero irreperibili. Sfuggirono a un primo arresto in una casa di Vetralla in cui la polizia fece irruzione trovando ancora il latte della colazione caldo. Quarra fu poi fermato in un normale posto di controllo a Roma, in piazza Risorgimento, il 2 agosto 1983. Il 4 agosto Daniela Bertani riconobbe Quarra nel confronto come la persona che avrebbe colpito Di Nella alla testa. Il sostituto procuratore Santacroce emise un mandato di cattura e il tribunale della libertà convalidò l'arresto.
La Bertani fu riconvocata per un secondo riconoscimento il 4 novembre 1983, ma sbagliò il riconoscimento del secondo indiziato, Luca Baldassarre, ponendo di fatto fine all'indagine. Il giudice ritenne infatti che, avendo sbagliato il secondo riconoscimento, avrebbe potuto aver sbagliato anche il primo. Il 29 dicembre il giudice istruttore Vitaliano Calabria, firmò l'ordine di scarcerazione di Corrado Quarra. Le indagini furono chiuse il 21 aprile 1986 con il proscioglimento di Quarra.