Le Bureau de la sécurité des transports (BST) du Canada pris le contrôle du site de l’accident une fois les secours terminés. Le BST a mené l’enquête avec la coopération de :
Les protocoles internationaux lors des enquêtes sur des accidents de l’aviation civile exigent que des représentants des pays des constructeurs soient représentés. Le siège de GE Aviation se trouvant à Evendale, dans l’Ohio, le BST canadien invita des représentants du NTSB américain à assister aux investigations.
Réal Levasseur, le chef enquêteur du BST pour cet accident, indiqua que l’avion avait atterri trop loin sur la piste et avait été incapable de s’arrêter sur un revêtement mouillé. Les enquêteurs n’ont trouvé aucun indice d’un problème de moteur, de défaillance de freinage ou de problème avec les spoilers ou les inverseurs de poussée. Deux toboggans d’évacuation n’ont pas fonctionné sur deux des sorties sans que la raison de ce dysfonctionnement n’ait encore été trouvée mais cela a obligé certains passagers à sauter d’une hauteur de 2 m lors de l’évacuation de l’appareil.
Le Figaro a publié le 16 septembre 2005 un article concernant l'accident, mentionnant un retard de commande des inverseurs de poussée.
Le 12 décembre 2007, le BST a publié le rapport final d'enquête concernant cet accident. Il est à noter que ce rapport, comme tout rapport d'enquête aéronautique, est une analyse technique de l'accident et de ses causes, et non une attribution juridique des responsabilités.
Le rapport fait état de mauvaises conditions météorologiques lors de l'accident, notamment d'une pluie diluvienne et de vents changeant. Peu avant l'atterrissage de l'appareil, le vent a tourné, se transformant en un vent de dos de 10 nœuds, environ 19 km/h. Il est calculé que si la distance d'atterrissage par piste sèche, vent nul et freinage moyen était d'environ 1 652 m, celle-ci augmentait à 2 150 m en cas de piste mouillée (couverte d'environ 3 mm d'eau) et de vent arrière de 10 nœuds. Enfin, il calcule que, selon les conditions en vigueur lors de l'accident (piste contaminée par 6 à 7 mm d'eau et 1 nœuds de vent arrière), la distance nécessaire était de 3 124 m avec une utilisation correcte des inverseurs de poussée, et 3 471 m sans. Pour mémoire, la piste 24L sur laquelle l'avion a tenté d'atterrir mesure 2 743 m.
L'étude et l'analyse de l'accident fait état de problèmes de déploiement de deux toboggans d'évacuation gonflables, ainsi que de l'ouverture avant l'arrêt complet de l'appareil d'une de ses portes, sans qu'il eût été possible de l'expliquer. Le rapport constate également que des réservoirs d'oxygène à usage médical à bord semblent avoir explosé dans l'incendie.
Le rapport incrimine principalement l'équipage dans l'analyse des causes de l'accident. Il conclut notamment que le pilote a augmenté la poussée des réacteurs durant l'approche, fait ayant "contribué à un accroissement de l'énergie de l'avion qui a alors dévié au-dessus de la trajectoire de descente". La vitesse excessive et la trajectoire étant aussi attribuées à un changement de vent peu avant l'atterrissage, celui-ci se transformant en vent de dos. En outre, il confirme que l'équipage n'a pas tenté de procéder à une remise de gaz (procédure dite d'"atterrissage interrompu" ou "go-around" durant l'atterrissage. Il confirme également le toucher tardif des roues, ainsi que le retard de sélection des inverseurs de poussée préalablement publié par le Figaro. De manière plus grave, il note que "malgré les messages d'observation météorologique régulière pour l'aviation (METAR) qui annonçaient des orages à [Toronto] à l'heure d'arrivée prévue, l'équipage n'a pas calculé la distance d'atterrissage nécessaire sur la piste 24L. En conséquence, l'équipage n'était pas conscient de la marge d'erreur que présentait la piste d'atterrissage ni du fait que cette marge avait été éliminée dès l'apparition du vent arrière." Le rapport conclut également que les conditions météorologiques "dépassaient les limites de l'avion à l'atterrissage".
Le rapport critique également certaines procédures en vigueur au sein d'Air France à l'époque, notamment "la politique voulant que seul le commandant de bord puisse décider d'effectuer une approche interrompue [qui] risque d'augmenter la probabilité qu'une situation dangereuse ne soit pas reconnue à temps [...]", ainsi que les notices de sécurité concernant l'évacuation, sans toutefois le considérer comme un facteur contributif aux blessures des passagers.
Il est également conclu que la piste et ses abords étaient en conformité avec les réglementations en vigueur, et exclut la responsabilité du contrôle aérien (ATC) ou de l'absence de données fournit par celui-ci dans l'accident. Il note expressément que "certains pilotes pensent que l'ATC va fermer l'aéroport si les conditions météorologiques rendent les atterrissages dangereux, mais l'ATC ne dispose pas d'un tel mandat."
Il constatera finalement des lacunes dans les informations à disposition des pompiers de l'aéroport, notamment l'absence des plans de l'A340. Il notera toutefois que les pompiers avaient suivi une formation complète sur cet appareil.
Le rapport recommandera 11 mesures, visant notamment à augmenter la formation des équipages aux atterrissages par mauvaises conditions météorologique, à mieux évaluer les distances d'atterrissages nécessaires, et à faciliter le choix d'une interruption de l'atterrissage ou d'un déroutement par l'équipage. Une recommandation incite également à aménager différemment les extrémités de pistes.