NEXCO中日本は12月3日時点で、事故原因について「大きな理由としては老朽化を考えている」と説明していた。笹子トンネル事故の4年前にも関門トンネルで天井板の老朽化による事故が起きており、NEXCO中日本の技術者は4年前の事故を論文によって把握していたものの、十分な老朽化対策はされていなかった。トンネルが開通した1977年（昭和52年）以降、天井板を固定するボルトや金具の交換や補修は行われていなかった。ただ、事故以前に経緯は不明なものの、天井部で652か所の補修が行われていることが確認されている。実際に経年劣化していた部分として指摘されているのは、コンクリートとボルト結合部の接着剤である。接着剤以外については、NEXCO中日本は2012年12月2日の会見で「つり金具の部分が壊れた可能性が高く、老朽化していた可能性もありうる」としていた。しかし同12月4日、国土交通省の調査検討委員会初会合によれば、つり金具やボルトなどに目立った腐食はなかったとされた。2013年2月1日に発表された国土交通省の検査結果でも、笹子トンネル上り線のコンクリート壁やボルト自体の強度に問題はないと結論づけられた。
事故の原因である天井板はトンネルにおける「換気ダクト」の役割を果たしていた。吊り金具同士の間は隔壁で仕切られており、覆工コンクリートと天井板・隔壁で仕切られた一方はトンネル内の車の排ガスを換気機を使って排出する排気用、もう片方は外部の新鮮な空気を取り入れる送気用の空間として利用されていた。これは「横流換気方式」と呼ばれる構造で、コスト面で不利となるが、交通換気や自然風に影響されないもっとも安定した換気方式として長大トンネルや海底トンネルで多く採用されてきた方式である。笹子トンネルは交通量が多く大量の換気が必要とされていたため、天井板からトンネル最上部まで5.3メートルあり、他のトンネルと比べて点検が困難だったという。今回の事故では天井板が崩落したことにより換気ダクトや煙除去装置の機能が失われ、煙の除去が困難になった。また、崩落した天井板は、1枚の隔壁に幅の長さが同じ天井板が左右2枚ずつ直角に交わる形で固定されていたことがわかっており、1枚が崩落すると同時に隣接する天井板が連鎖的に崩落したものと見られている。西山豊は天井板のトンネル全体にわたる連結構造が大惨事をまねいたとして、設計ミスを指摘している。また、車両の天井板接触事故（2005年、2008年、2012年）が天井板崩落の引き金になったのではないかとしている。笹子トンネルの現地計測を踏まえて、大月側Ｌ断面内の非常駐車帯（A-3）の設計と施工が、崩落に大きな関係があるのではとしている。明石昇二郎は笹子トンネル事故の原因は設計ミス、施工ミスとしている。なお、横流換気方式は自動車の排ガス抑制技術の向上もあって2012年当時では少数派になりつつあり、笹谷トンネル（山形自動車道）、安芸トンネル・武田山トンネル（ともに山陽自動車道）のように不要になったとして天井板を撤去するトンネルもあった。同様の構造であった笹子トンネル下り線でも、今回の事故に併せて換気方式を横流換気方式から変更し、天井板を除去している（後述）。
鞍掛山は、栃木県宇都宮市北西郊外の新里町と同日光市南部の猪倉に跨る標高492.4mの低山である。東西に長い尾根を有し、その尾根上に主に3つのピークがある。最頂部は長尾根のほぼ中央に位置し、低い440mのピークは中央部よりやや西に、また最頂部に次いで高い480m級のピークは長尾根の最西端にあり、この480m級ピークと440m級ピーク間は南北方向の短い尾根で結ばれている。古賀志山の北東、半蔵山・羽黒山の南西に位置し、当山と半蔵山・羽黒山間の鞍部は鞍掛峠と呼ばれ、現在は新里街道（にっさとかいどう、県道22号線）のトンネル『鞍掛トンネル』が貫通する。当山は宇都宮市街中北部の高台（宇都宮タワーや戸祭山など）からよく遠望されるほか、東南麓の新里町茗荷沢からは台形状の山容を間近に見ることが出来る。なお、国道293号新里町付近および新里町から茗荷沢に向かう道路沿い付近からは、鞍掛山の南東に立地する雨乞山に隠されて見えない場所もある。付近は宇都宮県立自然公園の指定区域であり自然が豊富である。ムカシトンボの生息地として保護されている宇都宮市福岡町の赤川ダム付近と並び、当山南麓部の沢や栗谷沢付近ではムカシトンボの目撃例がある。この付近は雲雀鳥屋、古賀志山、および当山に囲まれた平地部であり、叢にはアトリ科の鳥類であるカワラヒワ等が生息し、周辺はこれらスズメ目の小型野鳥が群れを成して飛ぶ姿のほか、アオサギなどが田で餌を啄ばむ姿なども見られる。登山道の起点は宇都宮市福岡町細野の天狗鳥屋西麓部歩道分岐点であるが、ここから天狗鳥屋の西側の低山を越すと新里町茗荷沢であり、ここで新里町藤本の国道293号交差点から分岐する路線の先端部に当たる鞍掛林道に合流し、鞍掛山登山口である鞍掛神社に到達する。この林道沿いには一の鳥居および二の鳥居があり、鞍掛山登山口の先には鞍掛神社が祀られている。登山コースは奥の院をかすめるルート（岩コース、登山ルート）と尾根を登り大岩を経るルート（尾根コース、下山ルート）があり、いずれも足場が悪い急坂のコースで、自然豊かな反面下草も繁茂し昆虫類も多いため、枯れた時期の登山が勧められている。高木が茂るため山頂尾根からの眺めは必ずしも良くはないが、『大岩』についてはほぼ360度の眺望が可能である。登山の所要時間は往路復路合わせて2時間程度である。山全体に木々が茂り、南面は主に広葉樹、北面は主に針葉樹となっている。