L'avion a décollé de Perpignan à 13 h 30 UTC pour un vol de validation avant que l'avion ne soit livré à Air New Zealand. Après son décollage, il est allé survoler Gaillac (Tarn) à 14 h 46 UTC et devait ensuite faire un toucher au sol à Perpignan, sans y atterrir, puis se rendre à Francfort où devait se dérouler le transfert à Air New Zealand. Un commandant de bord de 51 ans et un co-pilote de 58 ans, de nationalité allemande appartenant à XL Airways dont les noms ne seront pas communiqués se trouvaient aux commandes, accompagnés par cinq Néo-zélandais : un pilote (Brian Horrel, 52 ans), trois ingénieurs (Noel Marsh, 35 ans, Michael Gyles, 49 ans et Murray White, 37 ans) et un représentant de l'autorité de l'aviation civile néo-zélandaise (CAA) (Jeremy Cook, 50 ans). Trois à quatre minutes avant le crash, le pilote annonçait qu'il amorçait sa descente sur Perpignan « sans aucun problème ». L'appareil avait déjà effectué un vol d'essai d'environ une heure en direction de la mer le 27 novembre 2008 au matin, quelques heures avant le vol accidenté. Toutes les procédures avaient été respectées et suivies depuis le Centre en route de la navigation aérienne (CRNA Sud-Est) d'Aix-en-Provence. Rien d'anormal n'avait été signalé par les contrôleurs aériens.
Deux juges d'instruction du tribunal de grande instance de Perpignan ont été co-saisis de l'affaire et une information judiciaire pour homicide involontaire a été ouverte le 1er décembre 2008. L'enquête technique aéronautique est confiée au Bureau d'enquêtes et d'analyses (BEA), lequel travaille en collaboration avec ses homologues allemand (le Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung), néo-zélandais (la Transport Accident Investigation Commission) et américain (le Conseil National de la Sécurité des Transports). Elle pourrait durer deux ans. Les deux boîtes noires sont « très endommagées » : « Les boîtiers protégés ont résisté et les cartes mémoires paraissent intactes, mais aucune donnée n'a pu en être extraite », déclare le BEA. Les boîtes noires sont renvoyées à leur constructeur Honeywell, à Seattle (États-Unis). Début janvier 2009, le BEA précise, en accord avec le procureur de la République de Perpignan, que « les travaux entrepris dans les laboratoires du constructeur avec la participation d'enquêteurs spécialisés ont effectivement permis de récupérer les données des cartes mémoires des deux enregistreurs ».
Le BEA publie le 24 février 2009 un rapport d'étape dont il ressort que « le vol ayant été écourté, une vérification à basse vitesse prévue en altitude a été effectuée au cours de l'approche sur Perpignan. C'est au cours de cette vérification que l'équipage a perdu le contrôle de l'avion qui s'est écrasé en mer. »
Les relevés de la lecture du DFDR (enregistreur de paramètres) que le rapport reproduit montre que l'information d'incidence des sondes AOA s'est figé à une valeur de 4° à mi-vol. Elle n'a ensuite pas varié comme elle l'aurait du en fonction de la vitesse.
De la peinture a été retrouvée sur une des sondes repêchée.
Sitôt alerté, le Centre régional opérationnel de surveillance et de sauvetage (CROSS) Méditerranée envoie sur place des moyens de recherche et sauvetage : cinq vedettes de la Société nationale de sauvetage en mer (SNSM), les vedettes Le Tech et Le Maury de la Gendarmerie maritime, une vedette des pompiers, un avion de patrouille maritime Atlantique ATL2 de la Base d'aéronautique navale de Nîmes-Garons, un avion de surveillance maritime (Surmar) Falcon 50 de la Base d'aéronautique navale de Lann-Bihoué, un hélicoptère EC-145 de la Sécurité civile, ainsi qu'un hélicoptère de service public Dauphin SA 365N de l'aviation navale. Les aéronefs repèrent l'épave de l'avion (partie arrière, un morceau de la carlingue et une aile), qui repose par 35-40 mètres de fond sur un sol sablonneux et dont les débris sont éparpillés dans un rayon de 800 mètres. Certains d'entre-eux ont dérivé jusqu'à la frontière espagnole et ont été récupérés par la Guardia civil. Le 28 novembre 2008, la Marine nationale envoie à 6 h 0 UTC sur zone le chasseur de mines Verseau (M651), équipé d'un sonar, ainsi que le bâtiment de soutien, d’assistance et de dépollution Ailette à 7 h 0 UTC et un hélicoptère Fennec de la Gendarmerie nationale à 9 h 30 UTC. Le Verseau et ses plongeurs démineurs recherchent les boîtes noires sur un cercle de 5 km de diamètre, à environ 7 km de la côte, lesquelles sont repérées dans la soirée. L'une d'entre elles, le Cockpit Voice Recorder (CVR), qui enregistre les conversations du cockpit, est repêchée le 29 novembre 2008. La seconde, le Digital Fly Data Recorder (DFDR), qui enregistre les données du vol, est remontée à la surface le 1er décembre 2008. La récupération de l'ensemble de l'épave est envisagée « dans un délai raisonnable » par le procureur adjoint du tribunal de grande instance de Perpignan.