L'enquête a été confiée à la Commission espagnole d'enquête sur les accidents de l'aviation civile. Les boîtes noires ont été retrouvées et semblaient exploitables, bien qu'endommagées.
Comme l'appareil impliqué est de conception américaine, le Conseil National de la Sécurité des Transports (National Transportation Safety Board, NTSB) a pour obligation d'ouvrir une enquête, et ont été amenés à participer à l'investigation en cours, avec l'aide des sociétés Boeing et Pratt & Whitney.
Selon les premiers témoignages des survivants et le personnel de l'aéroport, suite à un incident technique, l'avion serait retourné à l'aérogare pour réparation. Des passagers auraient tenté de descendre mais le pilote s'y serait opposé. L'appareil a alors essayé de décoller une deuxième fois, cette fois sans succès. Une vidéo prise par l'aéroport a été communiquée aux médias dans les jours suivant l'accident.
Suite à cet accident, les décollages sur l'aéroport de Madrid étaient suspendus jusqu'à 17 heures, tandis que les atterrissages étaient «régulés».
Le chef du gouvernement espagnol José Luis Rodriguez Zapatero, a interrompu ses vacances et est arrivé en fin d'après-midi à l'aéroport avec le ministre de l'Intérieur, Alfredo Perez Rubalcaba, la ministre de l'Equipement, Magdalena Álvarez Arza et le ministre du Travail Celestino Corbacho. Le lendemain, le roi et la reine d'Espagne sont venus se recueillir à la chapelle ardente installée au Palais des congrès de la capitale espagnole et s'entretenir avec les familles.
Un deuil de trois jours a été décrété dans la région et dans la ville de Madrid.