調查報告指出，導致列車出軌的間接原因，包括主風泵異常、ATP系統被隔離、ATP遠端監視功能未連線，以及司機員於列車行進中，同時持續通聯嘗試排除列車異常狀況，進入新馬站彎道前未依規定減速等。
調查報告指出，事故列車以超過速限（75km/h）的速度（141km/h）進入半徑306公尺的新馬站彎道，導致列車前進方向第1節車廂右側車輪浮起後出軌並向左側傾覆，隨後第2至8節車廂也相繼出軌。
而事故列車行進中，因主風泵異常，發生列車動力時有時無、停留軔機間歇作動的異常狀況，相關人員採取之運轉決策及應變處置作為未排除異常狀況；司機員於列車行進中，同時持續通聯嘗試排除列車異常狀況，進入新馬站彎道前未依規定減速。加上ATP系統被隔離，且普悠瑪列車的ATP遠端監視功能未連線，導致相關防護措施均未被執行。
調查小組表示，經檢核比對各重要事證，包括相關監視影像、列車控制監視系統（TCMS）紀錄、自動列車防護系統紀錄單元（ATP RU log）、通聯紀錄、相關標準作業程序規章、路線及車輛維修紀錄等，重要事實發現如下：
一、事故列車2組主風泵於發車前即強制停機，未正常運作，使列車於15時39分12秒起計發生10次總風缸壓力不足狀況，致動力時有時無、停留軔機間歇作動。
二、司機員於16時17分55秒隔離ATP系統；司機員於16時47分59秒通聯提及：「現在變成把ATP把它關起來」，機車調度員回覆：「ATP關起來會好嗎？」
三、事故列車ATP遠端監視系統未連線，致未發出告警訊息。
四、事故列車16時44分51秒從羅東站出發，速度把手置於140km/h段位，16時46分58秒列車速度達140km/h。16時46分57秒起司機員與機車調度員、台北機務段檢查員通聯（通話時間計2分09秒），嘗試排除列車異常狀況，未操作煞車把手，列車未減速進入彎道，16時49分27秒速度141km/h，超過曲線傾覆臨界速度，列車出軌；16時49分28秒最後紀錄顯示，速度把手置於OFF段位，車速135km/h。
五、人員證照與勤前檢測、事故路段軌道狀態、ATP軟硬體、列車傾斜裝置、速度把手、數位速度表及相關設備（車輪、轉向架等），無異常。
調查小組表示，截至目前為止，事故調查所得各項事實發現，應可推斷事故原因，但為使調查報告更具科學專業分析基礎及佐證，小組仍將持續委託學術或專業機構，辦理曲線翻覆臨界速度模擬及列車出軌後車廂碰撞行為分析與動畫模擬等工作。
