Efter udgravningen blev Tollundmanden transporteret til Bispebjerg Hospital, hvor han blev obduceret. Overlæge, dr.med. Chr. Baastrup røntgenfotograferede øverste del af kroppen og hovedet. Røntgenbilledet afslørede, at knoglerne var stærkt afkalkede efter opholdet i mosen, men så vidt det var muligt at se, var der ingen brud på halshvirvlerne. Hjernen var skrumpet, men i øvrigt velbevaret.
Dr.med. Bjovulf Vimtrup og retsmediciner Kay Schourup obducerede og undersøgte derefter liget. Det blev konstateret, at Tollundmandens indre organer var noget fladtrykte, men i øvrigt lige så velbevarede som hans ydre. Rebets placering og de tydelige furer efter rebet foran og på siden af halsen tydede på, at han var blevet hængt. I hans tyktarm fandt man resterne af hans sidste måltid, som var indtaget 12–24 timer, inden han døde. En senere analyse af indholdet viste, at måltidet formentlig havde været en grød eller en vælling, hvor hovedbestanddelen var byg, suppleret med hørfrø og havre. Desuden var der frø fra en lang række ukrudtsplanter, hvoraf nogle kan være indsamlet bevidst, mens andre er havnet i høsten mere tilfældigt. Efter obduktionen skilte man hovedet fra kroppen og fødderne fra underbenene for at forsøge at konservere dem. Hovedet blev først konserveret, da Silkeborg Museum ønskede at udstille det.