Omkring 40 personer sades ha tittat på strömmen vid ett tillfälle, men ingen rapporterade händelsen till polisen.
En talesman för polisen sade att myndigheterna först fick reda på vad som hände efter det att flickans mor närmade sig polischefen när han lämnade en station.
Detektiver har förhört flera personer men inga gripanden har gjorts.
Videon har sedan dess tagits bort.
Flickan, som hade varit försvunnen en dag, har nu hittats av detektiver och återförenats med sin familj.
Hennes mamma, som BBC inte namnger, sa att hennes dotter verkade vara rädd i filmen och tillade "det är så äckligt".
"Det är hemskt. Jag vet att de kommer att få sin dag kommer", sade hon på tisdag morgon, innan hennes dotter hittades.
Chicago polischef, Supt Eddie Johnson, sades vara "synligt upprörd" efter flickans mamma visade honom skärmdumpar av videon.
En släkting till flickan, Reginald King, säger att han var den siste att se henne före det påstådda angreppet, efter att de två gick i kyrkan tillsammans på söndagen.
"Ingen förtjänar det. Ingen människa förtjänar att det händer dem, sa han till lokala medier och tillade att han misstänker att lokala "thugs" begick attacken.
Efter att flickan hade hittats, fördes hon till sjukhus med skador i ansiktet, berättade han för Chicago Tribune.
En talesman för Chicago polisen twittrade på tisdag eftermiddag att polisen "gör goda framsteg" i att identifiera angriparna.
"Intervjuer pågår men inga formella misstänkta namnges ännu," Anthony Guglielmi tillade.
"Krimimer som detta är avskyvärda och vi tillåter inte den typen av innehåll på Facebook," en talesman för företaget sade.
"Vi tar vårt ansvar för att hålla människor säkra på Facebook mycket allvarligt och kommer att ta bort videor som skildrar sexuella övergrepp och delas för att glorifiera våld."
I januari arresterade Chicagopolisen fyra personer efter en separat incident där en mans påstådda överfall livestreamades, även på Facebook Live.
Den påstådda sexuella misshandeln av en 15-årig flicka av fem eller sex män strömmades på Facebook Live, enligt Chicagopolisen.