經調查認定，導致事故發生的原因是：通號集團所屬通號設計院在LKD2—T1型列控中心裝置研發中管理混亂，通號集團作為甬溫線通訊訊號整合總承包商履行職責不力，致使為甬溫線溫州南站提供的LKD2—T1型列控中心裝置存在嚴重設計缺陷和重大安全隱患。國家鐵道部在LKD2—T1型列控中心裝置招投標、技術審查、上道使用等方面違規操作、把關不嚴，致使其在溫州南站上道使用。當溫州南站列控中心採集驅動單元採集電路電源迴路中保險管F2遭雷擊熔斷後，採集資料不再更新，錯誤地控制軌道電路發碼及訊號顯示，使行車處於不安全狀態。

雷擊也造成5829AG軌道電路傳送器與列控中心通訊故障。使從永嘉站出發駛向溫州南站的D3115次列車超速防護系統自動制動，在5829AG區段內停車。由於軌道電路發碼異常，導致其三次轉目視行車模式起車受阻，7分40秒後才轉為目視行車模式以低於20公里/小時的速度向溫州南站緩慢行駛，未能及時駛出5829閉塞分割槽。因溫州南站列控中心未能採集到前行D3115次列車在5829AG區段的佔用狀態資訊，使溫州南站列控中心管轄的5829閉塞分割槽及後續兩個閉塞分割槽防護訊號錯誤地顯示綠燈，向D301次列車傳送無車佔用碼，導致D301次列車駛向D3115次列車併發生追尾。

上海鐵路局有關作業人員安全意識不強，在裝置故障發生後，未認真正確地履行職責，故障處置工作不得力，未能起到可能避免事故發生或減輕事故損失的作用。