Quelques heures après le crash, le président de la Fédération de Russie Dmitri Medvedev ordonne « qu'une enquête minutieuse (n'excluant aucune hypothèse) soit menée sur la catastrophe, en coopération totale et la plus étroite avec la partie polonaise », et annonce la création d'une commission spéciale d'enquête sur l'accident. Cette commission est présidée par le premier ministre Vladimir Poutine. Parallèlement, une enquête criminelle émanant du Procureur général de Russie est ouverte, à propos d'éventuelles violations des règles de sécurité du Code Criminel Russe. Ces enquêtes sont menées en collaboration avec des enquêteurs polonais dépêchés à Smolensk et à Moscou, où sont acheminés les corps des victimes et les boites noires, conformément à la loi russe en cas d'accident.
Les premières déclarations des autorités russes incriminent le brouillard, fréquent dans cette région au printemps et en automne, et une erreur du pilote, qui aurait tenté d'atterrir sur la base aérienne de Smolensk contre l'avis des contrôleurs aériens qui lui auraient proposé de se dérouter sur Minsk ou Moscou.
Les premières analyses indiquent que l'avion a heurté la cime des arbres alors qu'il effectuait une tentative d'approche avec une balise non directionnelle, par visibilité faible, après trois tours d'attente en hippodrome au-dessus de l'aérodrome. Le lendemain, l'analyse des conversations entre les pilotes de l'avion présidentiel polonais et les aiguilleurs russes exclut la thèse du problème technique sur le Tupolev (de fabrication soviétique).
La décision du commandant de bord d'atterrir à tout prix pour ne pas retarder la présence des autorités polonaises à la commémoration de Katyn, ou peut-être pour ne pas mettre en danger sa carrière professionnelle, a certainement joué un rôle essentiel dans la genèse de l'accident. En août 2008, l'avion de Lech Kaczyński avait déjà dû se dérouter dans des circonstances similaires alors qu'il se rendait à Tbilissi, ce qui avait provoqué la colère du président : « Si quelqu'un veut être pilote, il ne doit pas connaître la peur », aurait affirmé Lech Kaczyński selon le quotidien Dziennik, avant d'ajouter : « Au retour au pays, nous allons régler le problème ».
Les trois « boites noires » du Tupolev Tu-154 ont été retrouvées sur les lieux du crash dans l'après-midi du 10 avril, comme l'a indiqué Sergueï Choïgou, le ministre russe des situations d'urgence, et permettront vraisemblablement à la commission d'enquête de présenter rapidement ses premières conclusions.
L'appareil, un Tupolev Tu-154M, avait été livré à l'armée de l'air polonaise en 1990. Ce type d'appareil a mauvaise réputation. En effet, depuis les années 1970, 66 accidents ont impliqué des Tu-154, causant plus de 2 500 décès, accidents pour la plupart imputés à de mauvaises conditions d'entretien des appareils, surtout utilisés par des compagnies de l'ex-Union soviétique ou de la République islamique d'Iran.
Le gouvernement polonais possède deux Tupolev Tu-154M, un pour le président et un pour le premier ministre. Le Tupolev présidentiel polonais avait déjà connu des avaries en décembre 2008 en Mongolie, obligeant le président polonais et son épouse à prendre un vol charter jusqu'à Tokyo, où il arriva ainsi avec 8 heures de retard. Enfin, en octobre 2008, le président avait déjà du emprunter un vol commercial pour se rendre à Bruxelles. En septembre 2009, les deux Tupolev du gouvernement polonais étaient en panne simultanément, conduisant le président Kaczynski à voyager sur un avion de ligne ordinaire pour se rendre à New York. Toutefois, l'appareil en question dans le crash du 10 avril 2010 avait bénéficié d'une révision complète et d'une modernisation en décembre 2009 en Russie. En première analyse, les circonstances de l'accident ne mettent pas en cause a priori une défaillance technique mais plutôt des facteurs humains.