בנוסף לקריאות החיישנים, גם ניתוח של פיזור לוחות הפחמן-פחמן המחוזק לאורך שדה השברים על הקרקע הצביע על נזק באזור לוחות 8 ו־9. לוחות 8 - 22 (בין לוח 8 לקצה הכנף) של כנף שמאל נפלו ראשונים, אחריהם לוחות 1 - 7, ורק לאחריהם לוחות המגן של כנף ימין. כמו כן, על לוחות 8 ו־9 הייתה הכמות הגדולה ביותר של משקעי מתכת מותכת, מבין כל הלוחות שנמצאו.
ועדת החקירה.
ועדת החקירה לתאונת הקולומביה, שמונתה לחקור את התאונה, מנתה את החברים הבאים:
בתום קרוב לשבעה חודשי חקירה, מצאה הוועדה הן כשלים הנדסיים שגרמו ישירות לתאונה, והן כשלים ארגוניים בנאס"א, שהביאו ליצירת הכשלים ההנדסיים.
סיבות הנדסיות.
הוועדה מצאה ש־81.7 שניות לאחר השיגור, נפרדה פיסת קצף בידוד מהצד השמאלי של הדו-רגל המחבר את מכל הדלק החיצוני למעבורת, ושתי עשיריות שנייה מאוחר יותר פגעה בשפת הכנף בחצי התחתון של לוח הפחמן-פחמן המחוזק מספר 8, ויצרה פרצה. פיסת הקצף הייתה באורך 50 - 70 ס"מ, ברוחב 30 - 45 ס"מ ובמשקל כ־760 גרם. היא פגעה במעבורת במהירות 600 - 900 קמ"ש.
הפגיעה לא נראתה במהלך השיגור, והתגלתה רק יום למחרת, במהלך ניתוח של צילומי השיגור. במהלך הנחיתה חדר אוויר לוהט (כנראה בטמפרטורה של יותר מ־2,700 מעלות צלזיוס) אל הפרצה, התיך את שלדת האלומיניום של הכנף השמאלית וגרם להחלשתה. בסופו של דבר העומסים האווירודינמיים גרמו לקריסת הכנף ולאובדן שליטה על המעבורת. גוף המעבורת התגלגל באוויר ללא שליטה, כאשר מגיני החום שלו, הנמצאים בעיקר בתחתיתו, כבר לא מופנים אל האזורים החמים ביותר. כתוצאה מכך התפרקה המעבורת.
על-פי ניתוח של נתוני מכ"ם פיקוד החלל של חיל האוויר, ניתק מן המעבורת עצם במהלך יום הטיסה השני, התרחק ממנה וחזר לאטמוספירה ונשרף כעבור יומיים וחצי. ניתוח של המידע מראה שסביר שהעצם היה לוח פחמן-פחמן מחוזק.
הוועדה מצאה שכדי שקצף בידוד ייפרד מהדו-רגל, צריכים היו להיות פגמים קיימים בשכבת הקצף על המכל. כמו כן, בעת תכנון מכל הדלק החיצוני במחצית שנות ה-70', הכלים ההנדסיים שעמדו לרשות המתכננים היו חלשים מאוד יחסית לכלים העומדים לרשות מהנדסים כיום. שיטות הפיתוח אז היו שונות מהמקובל כיום – כל היבט של הפיתוח נעשה בנפרד, בעוד כיום מקובל לפתח את כל צדדי הפיתוח – מבני, תרמי וכדומה ביחד. קצף הבידוד עצמו הוא רכיב מורכב מאוד, בעל התנהגות שונה בכיוונים שונים. כיוון שהוא עשוי מתאי אוויר רבים, גם ההרכב שלו אינו זהה בכל נקודה. מעט מדי מאמץ נעשה כדי להבין את התנהגות הקצף בעת השיגור וההמראה.
הקצף מיושם על חיבור הדו-רגל באופן ידני, מה שגורם לשונות רבה בין מכלים שונים. חיתוכים בקצף שנעשו בהוראת ועדת החקירה, מצאו כיסים, חללים ושברים בתוך הקצף באזור זה. אף כי הקצף יושם בהתאם לנהלים, נהלים אלה נכתבו על ידי אנשים שלא הבינו לאשורן את תכונות הקצף.
הסיבה הישירה להיפרדות קצף הבידוד מגוף המכל אינה ברורה. ככל הנראה מדובר בצירוף של לחצים אווירודינמיים, רעידות בגוף מכל הדלק, מתחים במבנה המכל, רוחות צד וגורמים נוספים.
מפרט התכנון המקורי של לוחות הפחמן-פחמן המחוזק המרכיבות את שפת הכנף, לא דרש כלל עמידות בפני פגיעות, מתוך הנחה שלא יהיו כאלה. בנוסף, נמצא שהחוזק המבני של הלוחות יורד עם השנים, כתוצאה מתהליכי חמצון. החמצון מוגבר עוד יותר על ידי אבץ שנשטף אל הלוחות מכן השיגור עם מי גשמים. עוד נמצא שתהליכי הבדיקה של חוזק הלוחות היו לא מספקים.
כדי לאמת את פגיעוּת לוחות המגן לפגיעוֹת קצף, השתמשה הוועדה במתקן המשמש לבדיקת עמידות מטוסים בפני פגיעת ציפורים. במתקן בוצעו שינויים מתאימים, כדי לירות פיסות קצף בגודל המשוער של פיסת הקצף שפגעה בקולומביה בדגם של כנף המעבורת, הבנוי מחלקי כנף של המעבורות אטלנטיס ודיסקברי בנות גיל דומה. הבדיקה הראתה פגיעות משמעותיות, ואף פרצות של ממש, שנוצרו בדגם הכנף על ידי הקצף. בנוסף, חלק מן השברים נשארו בתוך הכנף, דבר שתואם את התצפית של עצם שניתק מן המעבורת ביום הטיסה השני. מסקנה נוספת מבדיקה זו היא שמידת הנזק שתיגרם לכנף תלויה במשתנים רבים, שאת ערך חלקם לא ניתן לדעת, מה שהופך חיזויים אנליטיים של מידת הנזק לקשים מאוד. עוד הוכח שהכלים העומדים לרשות נאס"א כדי לבצע חיזויים אלה אינם מתאימים למשימה.
סיבות ארגוניות.
הוועדה הגיעה למסקנה ששורש הבעיות הארגוניות בנאס"א מגיע עד הדרך בה הוחלט על בניית מעבורות החלל. לדעת הוועדה, התקציב, ההיסטוריה והתרבות הארגונית של נאס"א, כמו גם שיקולים פוליטיים, פשרות ושינויים בסדרי עדיפויות כתוצאה מן ההליך הדמוקרטי הם שהביאו למצב שגרם לתאונה. כתוצאה מן הדרישות השונות מרכב החלל החדש, נוצר רכב שהוא פשרה בין צרכים שונים ואינו הרכב המיטבי לטיסות חלל (ראו דיון נרחב יותר בנושא בערך מעבורת חלל). כתוצאה מכך נוצר רכב שמעולם לא ענה לדרישות האמינות, העלות, קלות החזרה לשימוש, קלות תחזוקה, והבטיחות.
קיצוצים חוזרים ונשנים בתקציב נאס"א גרמו לקיצוצים בכמות הבדיקות והעברת עבודות לקבלנים חיצוניים, מה שפגע בבטיחות הטיסה. למרות קיצוצי התקציב, נאס"א ניסתה להמשיך ולעסוק ביותר משימות ממה שהתקציב שלה איפשר, כפי שמצאה כבר ועדת הערכה שפעלה ב־1990. כדי לעמוד בקיצוצי התקציב מחד, ולהמשיך בתוכנית תחנת החלל הבינלאומית ואף בתוכניות לשלוח אדם למאדים מאידך, החליט מנהל נאס"א בשנים 1992–2001, דניאל גולדין, לקצץ בתוכנית שלקחה את החלק הגדול ביותר מתקציב נאס"א – תוכנית מעבורת החלל. מספר העובדים, הן של נאס"א, והן של קבלנים חיצוניים, שעבדו בתפעול המעבורת ירד באופן כמעט קבוע לאורך שנות ה־90'. גולדין אף החזיר למרכז החלל ע"ש ג'ונסון את ניהול תוכנית המעבורת, לאחר שהועברה אל מטה נאס"א בוושינגטון בהמלצת ועדת רוג'רס, שחקרה את אסון צ'לנג'ר. בנוסף, תוכניות שונות להחליף את המעבורת בכלי רכב חללי חדש גרמו לעיכוב בביצוע שדרוגים למערכות המעבורת השונות, מחשש להוצאת כספים על רכב שממילא יצא משירות בקרוב. בסופו של דבר, שתי תוכניות גדולות להחלפת המעבורת לא הצליחו להגיע לידי השלמה.
עשרות טיסות מוצלחות יצרו הרגשה כוזבת שסכנת התרסקות אינה קיימת. אף על פי שנפילת פיסות קצף תועדה במרבית ההמראות של המעבורת (ובכ־10% מהן, מהרגל השמאלית של הדו־רגל), כיוון שהמעבורות חזרו בשלום, תיאור התופעה הוחלף מאיום על בטיחות הטיסה, לעניין ידוע ומוכר הקשור להחזרה לשימוש. זאת אף על פי שנפילת הקצף הייתה מנוגדת למפרט הן של מכל הדלק והן של מגן החום.
הוועדה מצאה 7 מקרים של נפילות של פיסות קצף בגודל עשרות סנטימטרים מן הדו־רגל, שגרמו לנזקים בולטים למגן החום, אך 2 מתוכם נתגלו רק לאחר שהוועדה הורתה לנאס"א לבחון מחדש את הצילומים של כל השיגורים. כתוצאה מכך לדעת הוועדה על נאס"א לבחון מחדש את תהליך בחינת הצילומים שלה.
אירוע נפילת קצף מהדו־רגל במהלך STS-112 לכד את תשומת לב הוועדה במיוחד. בניגוד לפעמים קודמות, אירוע זה הטריד במיוחד את הנהלת תוכנית המעבורת בגלל גודלו. הנהלת התוכנית ביקשה למצוא את הסיבה לנפילה, ולמצוא דרכים למנוע אותה בעתיד. זה לא מנע מהם לאשר את שיגור משימות STS-113 ו-STS-107 אחריהן, ולפני שנמצא פתרון לבעיה. לדעת הוועדה תהליך קבלת ההחלטות בנושא זה היה שגוי, גם מבחינת הניתוח ההנדסי של המצב.
במשימה STS-27-R נתגלתה פיסת קצף גדולה שפגעה במעבורת, ונמצאה בצילומי השיגור ביום השני למשימה. הצוות קיבל הוראה לבחון את מקום הפגיעה בעזרת המצלמה שבקצה הזרוע הרובוטית, ודיווח שהמקום נראה כאילו ספג פגיעה מרובה ציד. בבדיקה לאחר הנחיתה נמצא נזק רב, ואריח אחד ממגן החום היה חסר לגמרי, כך שגוף המעבורת נחשף ישירות לחום החדירה לאטמוספירה. הגוף לא נחדר רק משום שבמקרה באותו מקום לוח האלומיניום היה עבה במיוחד. במשימה STS-107, לעומת זאת, בנסיבות דומות, הצוות לא התבקש לבדוק את המקום, בקשות לצילומים מהקרקע ומאמצעים אחרים נדחו, ונשללה האפשרות להתכת הגוף. ההבדלים בגישות בין שני המקרים מראה, לדעת הוועדה, שנאס"א אינה ארגון לומד, ועל חוסר בזיכרון ארגוני.
הוועדה מצאה שהמבנה הארגוני של נאס"א לא סיפק בלמים ואיזונים מספיקים. כדי לחסוך בתקציב, מנגנון של שני צוותי מהנדסים, אחד של נאס"א ואחד של קבלן חיצוני, שבדקו זה את זה, הוחלף בצוותים של הקבלן החיצוני בלבד. זאת למרות התנגדות של מהנדסים בתוכנית המעבורת.
בעקבות אסון צ'לנג'ר, הוקם במטה נאס"א בוושינגטון משרד בטיחות, אמינות ובקרת איכות, אך למשרד לא ניתנה סמכות ישירה על כל פעילות הבטיחות של מרכזי נאס"א השונים, כפי שהמליצה ועדת רוג'רס.
ההישגים יוצאי הדופן של נאס"א בתוכנית אפולו יצרו את התחושה בקרב ההנהלה והעובדים שנאס"א היא "מקום מושלם", כדברי הוועדה, וכתוצאה מכך, נוצרה התנגדות לשינוי, ולמעשה לא בוצעו שינויים ארגוניים שהומלצו על ידי מספר ועדות, כולל ועדת רוג'רס.