L'enquête a été confiée à la Commission espagnole d'enquête sur les accidents de l'aviation civile. Les boîtes noires ont été retrouvées et semblaient exploitables, bien qu'endommagées.
Comme l'appareil impliqué est de conception américaine, le Conseil National de la Sécurité des Transports (National Transportation Safety Board, NTSB) a pour obligation d'ouvrir une enquête, et ont été amenés à participer à l'investigation en cours, avec l'aide des sociétés Boeing et Pratt & Whitney.
Selon les premiers témoignages des survivants et le personnel de l'aéroport, suite à un incident technique, l'avion serait retourné à l'aérogare pour réparation. Des passagers auraient tenté de descendre mais le pilote s'y serait opposé. L'appareil a alors essayé de décoller une deuxième fois, cette fois sans succès. Une vidéo prise par l'aéroport a été communiquée aux médias dans les jours suivant l'accident.