Tra yr oedd ymchwilwyr damweiniau o'r Bwrdd Diogelwch Cludiant Cenedlaethol (NTSB) yn teithio i fan y crash, lle cyrhaeddant trannoeth,[3] bu tybiaeth gynnar taw ymosodiad terfysgol oedd achos y cwymp.[4][5][6] O ganlyniad, dechreuodd y Biwro Ymchwilio Ffederal (FBI) ymchwiliad troseddol ar yr un pryd.[7] Un fis ar bymtheg yn ddiweddarach cyhoeddodd yr FBI nad oedd unrhyw dystiolaeth o weithred troseddol, a daeth y biwro ei ymchwiliad i ben.[8]
Daeth ymchwiliad yr NTSB i ben gyda'i adroddiad terfynol pedair mlynedd yn hwyrach ar 23 Awst 2000. Achos debygol y damwain, yn ôl casgliad yr adroddiad, oedd ffrwydrad tanwydd/anweddau fflamadwy mewn tanc tanwydd, ac, er ni ellir ei ddweud yn sicr, achos fwyaf tebygol y ffrwydrad oedd cylched byr.[9] O ganlyniad i'r crash, datblygwyd gofynion newydd ar gyfer awyrennau er mwyn osgoi ffrwydradau tanciau tanwydd yn y dyfodol.[10]
Mae nifer o ddamcaniaethau amgen ynghylch TWA 800 yn bodoli, a'r mwyaf boblogaidd o'r rhain yw'r syniad taw taflegryn gan derfysgwr neu Lynges yr Unol Daleithiau a achosodd yr awyren i gwympo a bod cynllwyn gan y llywodraeth i gadw hyn yn gyfrinach.[11][12] Daeth damcaniaeth y taflegryn i'r amlwg gan yr oedd llygad-dystion yn ardal Long Island yn honni gweld rhywbeth yn debyg i fflêr neu dân gwyllt esgyn i'r awyr a ffrwydro. Ond yn ôl yr Asiantaeth Gwybodaeth Ganolog (CIA) wnaethont weld dim ond yr awyren ar dân, nid cyrch taflegryn.[13]
Bwrdd Diogelwch Cludiant Cenedlaethol (NTSB) (2000). Aircraft Accident Report: In-flight Breakup Over the Atlantic Ocean Trans World Airlines Flight 800 (PDF), NTSB/AAR-00/03. URL