直接原因
信号设备存在严重设计缺陷。事故发生地温州南站的轨道电路系统在设计上存在安全隐患，当温州南站至上海铁路局间的通信光缆因雷击发生故障后，轨道电路的“红灯”防护功能失效。具体表现为，甬温线永嘉站至温州南站间下行线K163+700处的轨道电路在遭雷击损坏后，未能按照设计实现“故障导向安全”，反而向后续列车发送了错误的“绿灯”信号。列车运行监控记录装置未发挥防护作用。D3115次列车因信号故障在区间内停车后，本应触发邻线列车的自动防护系统，但由于轨道电路错误显示“空闲”状态，D301次列车的列车运行监控记录装置LKJ未能接收到前方有车的信息，导致司机未及时采取紧急制动措施，最终以99公里/小时的速度与D3115次列车追尾。
间接原因
安全生产责任不落实。铁路部门在设备采购、技术管理、应急处置等环节存在管理漏洞。上海铁路局对信号设备的日常维护和故障排查不到位，未及时发现轨道电路设计缺陷；中国铁路通信信号集团公司在设备研发过程中，未能充分考虑极端天气下的系统可靠性，安全评估存在缺失。应急处置不力。事故发生后，相关部门对事故现场的应急救援组织不够科学，对伤亡人员的搜救和转运存在迟缓，暴露出铁路系统在突发事件应对中的协调机制不健全。
调查报告明确指出，这起事故是一起因信号设备缺陷、管理不善、应急处置不当导致的特别重大责任事故，并非自然灾害或技术不可抗因素所致。相关责任单位和人员已依法受到处理，事故整改措施随后在全国铁路系统逐步落实。