По данным доктора технических наук генерал-лейтенанта С. М. Белоцерковского и космонавта А. А. Леонова (который был членом правительственной комиссии), исследования доказали: самолёт Гагарина и Серёгина перевернуло и бросило в плоский штопор воздушной волной от другого самолёта. Факторами, приведшими к трагедии, были:
Плохие погодные условия (нижняя кромка нижнего слоя облаков была на высоте 500—600 метров); неточные сведения о погоде.
Конструктивные недостатки самолёта — неудачные в аэродинамическом отношении два подвесных топливных бака и необходимость для инструктора катапультироваться первым.
Неудовлетворительная организация радиолокационного слежения за полётами, неисправность части оборудования. Серьёзные нарушения в планировании полётов.
Белоцерковский и Н. П. Каманин обвиняют генерала Н. Ф. Кузнецова в том, что в сложившихся условиях он мог и должен был отменить полёт Гагарина. Вместо этого, из-за его действий, особенно придирок к Серёгину, перед полётом возникла недопустимая нервозность.

По данным комиссии, примерно за минуту до столкновения Гагарин пребывал в совершенно нормальном состоянии: речь его была спокойной, размеренной. Ему предстояло делать разворот со снижением, при отсутствии видимости естественного горизонта. Далее произошло какое-то неожиданное событие, которое привело к тому, что самолёт оказался на закритическом режиме в положении крутого пикирования.

Наиболее вероятным «событиями» могли быть:
Уклонение от самолёта, шар-зонда или стаи птиц;
Попадание в след пролетевшего самолёта;
Попадание в восходящий вертикальный поток воздуха или даже горизонтальный порыв ветра.

Могло иметь место сочетание двух каких-либо из указанных событий, а может быть, и всех трёх.

Компьютерное моделирование показало, что наиболее реалистичная картина последней минуты полёта получается при предположении, что самолёт вошёл в штопор и сделал 3-5 витков. С подвешенными баками допустимые перегрузки самолёта уменьшались с 8-кратных до 3-кратных. Если во время разворота со снижением возникли дополнительные факторы, то самолёт мог свалиться в штопор. Ошибочная информация о высоте облачности (по сообщённой лётчикам сводке погоды, нижний край был на высоте 900 метров) в сочетании с неправильными показаниями высотомера дали лётчикам неверное представление о запасе высоты и времени, которым они располагали.

По данным комиссии: «Попытка катапультироваться лётчиками не предпринималась». По мнению полковник-инженера в отставке, лётчика I класса И. Б. Качоровского: «Серёгин, оценив обстановку, как командир экипажа даёт команду Гагарину катапультироваться. Но тот, зная, что по техническим условиям это должен первым сделать инструктор, напоминает ему об этом». Когда, выйдя из облачности, экипаж сориентировался, катапультироваться было поздно.

Оценивая уровень управления самолётом на последних секундах полёта, группа лётчиков-испытателей и учёных заявила: «Действия лётчиков следует рассматривать как оптимальные: на закритическом режиме (10-11-кратной перегрузке) они пилотировали самолёт без крена и скольжения, „выжали“ из техники всё возможное, пытаясь вывести из пикирования самолёт». Особо отмечается, что вывод самолёта из пикирования проводился практически при максимально возможных для самолёта перегрузках — при 12-кратной перегрузке у него отваливались крылья. Эти же перегрузки являются практически максимальными и для пилотов.

По данным комиссии, экипаж находился в работоспособном состоянии, позы обоих лётчиков до конца были рабочими. Так, Гагарин левой рукой держался за ручку управления двигателем, ноги у того и другого лётчика были на педалях. В течение нескольких секунд Гагарин и Серёгин, сохраняя чёткость согласованных действий, самым активным образом боролись за жизнь, хотя и находились под воздействием огромных перегрузок. Им не хватило 250—300 метров высоты или 2 секунды полёта.