Spekulasi dan teori mengenai penyebab musibah inipun bermunculan sejak saat itu. Namun, kepastian mengenai penyebab kecelakaan ini baru didapat dari Komite Nasional Keselamatan Transportasi (KNKT).
Salah satu analisis yang muncul datang dari sejumlah peneliti dari Puslitbang Badan Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika (BMKG). Tim yang terdiri dari Prof Edvin Aldrian, Ferdika Amsal, Jose Rizal, dan Kadarsah menganalisis musibah itu dari sisi meteorologis. Penelitian mereka ini kemudian diunggah ke laman BMKG.
Kesimpulan penelitian mereka menyebutkan bahwa cuaca buruk menjadi faktor pemicu terjadinya kecelakaan tersebut. "Analisis awal menunjukkan bahwa pesawat kemungkinan telah terbang masuk ke dalam awan badai," demikian tertulis dalam dokumen di laman BMKG tersebut. Penelitian ini mengindikasikan bahwa cuaca buruk jadi pemicu musibah AirAsia QZ8501.
Sebelumnya, pesawat dengan registrasi PK-AXC tersebut memang hilang kontak saat berada di antara Tanjung Pandan (Belitung Timur) dan Pontianak. Pesawat sempat melakukan kontak terakhir dengan ATC di Bandara Soekarno-Hatta pada pukul 06.12 WIB. Pesawat tersebut terakhir kali terpantau di ketinggian 32.000 kaki di atas permukaan air laut sebelum akhirnya sinyal ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) yang dipancarkan pesawat hilang.
Saat itu pesawat melaporkan akan menghindari awan Cumulonimbus (Cb) dengan berbelok ke arah kiri, posisi ketinggian pesawat 32.000 kaki dan minta izin untuk menaikkan ketinggian pesawat menjadi 38.000 kaki. Kemudian pada pukul 06.17 WIB, pesawat hilang kontak.
Dari penelitian ini terungkap juga bahwa pesawat berbelok ke kiri 329° di atas Laut Jawa, setelah lepas landas pukul 05.36 waktu setempat.
Pada pukul 05:54, ketinggian pesawat mencapai FL320 (32.000 kaki). Kemudian pesawat merubah arah ke kiri menjadi 319°. 10 menit kemudian merubah lagi arah sedikit ke arah 310°. Pesawat terlihat terakhir di layar monitor ACC radar pada pukul 06:24 WIB.
Pada saat itu pesawat sedang melakukan deviasi (pengalihan arah) dari yang telah direncanakan karena alasan cuaca buruk. Pesawat meminta kenaikan ketinggian dari 32.000 kaki ke 38.000 kaki.
"Dari beberapa kali manuver perubahan arah (heading) yang dilakukan oleh pesawat tersebut diperkirakan pesawat menghindari cuaca buruk yang menghadang di depannya. Diperkirakan QZ8501 terjebak cuaca buruk yang sulit dihindari ketika sedang berada di atas Selat Karimata dekat Pulau Belitung."
Penelitian ini juga memadukan data kondisi cuaca di rute QZ8501 saat itu. "Dokumen penerbangan yang diberikan oleh kantor BMKG menunjukkan bahwa pada rute yang akan dilewati selama pesawat cruising level terdapat kondisi yang cukup mengkhawatirkan."
Icing
Salah satu data yang dipakai tim Puslitbang BMKG adalah citra satelit IR. Saat kejadian, citra menunjukkan suhu puncak awan yang ada di jalur penerbangan QZ8501 mencapai-80º hingga 85ºC (warna violet). "Yang berarti terdapat butiran-butiran es di dalam awan tersebut (icing)."
Hal tersebut juga menunjukkan bukti bahwa ada beberapa puncak awan yang menjulang tinggi pada jalur penerbangan yang dilewati.
Berdasarkan data yang tersedia di lokasi terakhir pesawat yang diterima cuaca adalah faktor pemicu terjadinya kecelakaan tersebut. Fenomena cuaca yang paling memungkinkan adalah terjadinya icing yang dapat menyebabkan
mesin pesawat mengalami kerusakan karena pendinginan
"Hal ini hanyalah salah satu analisis kemungkinan yang terjadi berdasarkan data meteorologis yang ada, dan bukan merupakan keputusan akhir tentang penyebab terjadinya insiden tersebut."