Die oorsaak van die ontploffing is later, na 'n uitgebreide ondersoek, vasgestel. Dit blyk dat 'n onderdeel, genoem 'n O-ring ('n seël), gebreek het in die regterkantse vuurpylaanjaer. Tydens die vlug het warm gasse verby die beskadigde O-ring ontsnap, 'n gat gevorm, en vlamme het later die hele tuig en sy vuurpyle verswelg.
Die bemanning se kajuit en baie ander fragmente is uiteindelik op die seebodem gevind na 'n lang soekoperasie. Die presiese tydsberekening van die dood van die bemanning is onbekend; verskeie bemanningslede moes die aanvanklike ontbinding van die ruimtetuig oorleef het. Die pendeltuig het nie enige ontsnappingstelsel vir die bemanning (soos valskerms) gehad nie en die impak van die kajuit (teen 330 km/h) met die see-oppervlak was ook te gewelddadig vir enige mens om te oorleef.
Die Kommissie het verskillende postulasies ondersoek in sy poging om die oorsaak van die ongeluk te isoleer. Hierdie navrae het aspekte soos die ontwikkeling en werking van elk van die elemente van die ruimtependeltuig ondersoek, sy hoofenjins en die eksterne tenk; asook die prosedures wat gebruik is vir die prosessering en samestelling van vlug 51-L, en enige moontlike skade tydens lansering.
Ná die verlies van Challenger is die debat oor rampredding heropen. NASA het verskeie opsies oorweeg, insluitend uitskietstoele, vuurpylonttrekking en moontlike redding deur die ruimtetuig deur 'n luik aan sy onderkant te verlaat. NASA kom egter weer tot die gevolgtrekking dat al die lanseerontsnappingstelsels wat al oorweeg is, onprakties is, weens die vele voertuigveranderinge wat nodig sou wees en die gevolglike beperking op die getal bemanningslede. 'n Stelsel is ontwerp om die bemanning die opsie te gee om die pendeltuig tydens sy sweefvlug te verlaat, maar hierdie stelsel sou in elk geval nie bruikbaar gewees het tydens die Challenger-ramp nie.