Созданная для расследования причин катастрофы Государственная комиссия состояла из трёх подкомиссий:
по изучению лётной подготовки экипажа, проверке организации и обеспечения полётов 27 марта (лётная подкомиссия),
по изучению и анализу материальной части самолёта УТИ МиГ-15 (инженерная подкомиссия),
по оценке состояния лётчиков до и во время полёта, официального опознания погибших (медицинская подкомиссия).

Отдельно работала комиссия КГБ, выяснявшая «по своей линии», не была ли катастрофа результатом заговора, теракта или злого умысла.

Были собраны 95 % самолёта и оборудования. С телами пилотов было сложнее — их разметало от удара машины о землю, в результате которого образовалась воронка диаметром 6 м и глубиной 2,7 м. Опознание обоих лётчиков было произведено по отдельным фрагментам тел. Анализ отпечатков стрелок кабинных и наручных часов Гагарина показал, что катастрофа произошла в 10:31, то есть через 50-70 секунд после последнего радиообмена с Гагариным.Официальные выводы комиссии были таковы: экипаж из-за изменившейся в полёте воздушной обстановки (подробности не уточнялись) совершил резкий манёвр и сорвался в штопор. Пытаясь вывести машину в горизонтальный полёт, пилоты столкнулись с землёй и погибли. Отказов или неисправностей техники обнаружено не было. Химический анализ останков и крови лётчиков посторонних веществ не выявил.
Комиссия КГБ обнаружила многочисленные нарушения наземного персонала аэродрома.