洋面飘浮的东西基本打捞干净后，搜索工作主要转入洋底。出事9天后的2月7日，一艘打捞船通过声呐定位器发现了右侧固体燃料助推火箭沉没在335米深的大西洋底。无论是潜水员还是水下机器人，一时都无法把它弄上来。3月7日，打捞队在卡纳维拉尔角东北约40公里处进行声呐探测时发现了一大块机身。第二天一早，全体潜水员乘救生船到该地区，在30米的海底发现了航天飞机的座舱及部分宇航员的遗体。3月10号，打捞起来的部分宇航员遗体被运往卡纳维拉尔角以南约40公里的帕特里克空军基地的病理研究所实验室，由解剖专家进行检查和辨认。因为这一些遗体破损碎裂了，给专家们的工作带来很大困难。直到4月上旬才验明了6位宇航员的遗体。
在4月15日，潜水员又发现了部分遗骸，最后验明它是格雷戈里·贾维斯的遗体，并通知了死者的父亲。7名宇航员的遗体最终都找到了。
3月12日夜间，宇航员的一些遗物被打捞上岸，同时打捞上来的有航天飞机上十分重要的4部飞行记录器和5台机载计算机中的部分。它们记录了关于温度、速度以及航天飞机内的震动情况的数据。还可能提供在爆炸前后数千分之一秒的瞬间，航天飞机出现的情况及其反应。据此可能找到航天飞机爆炸原因的重要线索。
4月13日，打捞队找到了航天飞机助推火箭连接组件的碎片。这块找到的碎片是助推火箭连接组件的柄舌，但它的底部尚未找到。这块关键的碎片可能成为揭示“挑战者”号失事原因的证据。到7月中旬，“保存者”号打捞船又发现了“挑战者”号的机舱，随后又完成了打捞机舱的任务。到5月底，打捞员共寻找和打捞到四千多块“挑战者”号的残骸，约占航天飞机机体的30％，其中宇航员座舱捞回了30％。1986年8月28日，最后三艘打捞船只返回港口，为时7个月的搜索和打捞“挑战者”号残骸的工作宣告结束。
参加这一工作的共有6000人和22艘船只。共打捞出约125吨重的残骸，其中包括可证明航天飞机爆炸原因的助推火箭连接环等。这些残骸占发射时航天飞机总重量的45％。
航天飞机失事后，专家们一时众说纷纭，但比较集中的看法是，事故出在飞行的最初15秒钟内。人们在观看电视录像和从不同角度拍摄的照片后，对以下的分析性意见表示了浓厚的兴趣。这种意见认为，“挑战者”号航天飞机右侧的固体燃料助推火箭的接合部，由于不明的原因，蹿出了一股异常的火焰，可能是它，酿成了一场大灾难。据透露，在航天飞机爆炸前不久，右侧助推火箭的压力略有下降。这个现象和假设的助推器泄漏是相吻合的。
事故发生后，航空和航天局立即成立了以副局长、航天飞机计划负责人杰西·穆尔为首的8人调查小组。2月3日，里根总统应国会强烈要求，成立了一个13人的独立于航空和航天局之外的“总统调查委员会”，由前国务卿威廉·罗杰斯任主席，第一个登上月球的宇航员阿姆斯特朗任副主席其余人员都是物理、火箭、工程、航空和法律方面的专家。他们的任务是全面调查事故发生原因，以及如何防止它的再发生。
为了弄清事故的真实原因，调查委员会成员于2月13日赶到肯尼迪角，在宇航中心观看了未公开的影片、录像、照片和数据，结果发现在“挑战者”
号起飞后598秒，右侧助推火箭附近冒出一股飘忽不定的火焰。固体燃料助推火箭是由4节圆筒状组件焊接而成。每两节之间的连接处，有两个合成橡胶垫圈，又称密封圈。它的主要功能，是防止火箭运行时燃料或火焰往外逸出。可是照片表明，右侧助推火箭的第三和第四节连接处裂开了，火焰从这里窜出来将机外燃料舱的液氢容器烧穿一个洞，液氢向外喷射达8秒钟之久，随后助推火箭和机外燃料舱分离，紧接着，机外燃料舱发生猛烈爆炸。
从技术原因看，人造橡胶密封圈不耐低温，它只能在40摄氏度以上才能保持良好的性能。可是“挑战者”号发射当天的气温是3摄氏度，更严重的是，发射前右侧助推火箭的实测温度是负13至14摄氏度。在这种情况下密封圈弹性减弱，事实上失去了密封作用，右侧助推火箭的接合部出现了缝隙。
结果助推火箭内超高温气体外泄，烧毁了外壳，同时点燃了机外燃料舱，大量液氢液氧迅速燃烧，很快酿成惨祸。
总统的调查委员会在4个月后，于6月9日正式公布了调查结果。这份256页的报告严厉批评了航空和航天局管理上的问题，以及发射当天坚持准时发射航天飞机的愿望。报告确定，事故的直接原因是航天飞机右侧的固体助推火箭密封装置失效，燃气外泄，形成火舌，引起燃料箱爆炸。这是设计上存在的缺陷。发射时气温过低，合成橡胶密封圈失去弹性，接头处不能密封，也是导致这场灾难的一个重要因素。
关于助推火箭设计上的问题，早在1978年初就已发现，但始终未能引起航空和航天局官员们的重视。
报告建议，重新设计固体燃料助推火箭，改变航空和航天局的管理结构，加强对各宇航中心的集中领导，在航空和航天局内设立专门负责安全的机构，监督航天飞机计划的实施。1986年7月8日，这个机构正式成立，定名为“安全，可靠和质量保证处”，由马丁—玛丽埃塔航天公司的乔治·罗德尼担任负责人，直接向局长汇报工作。
1986年8月初，国家航空和航天局的一位工程师透露，在阿拉巴马州马歇尔宇航中心的一个小组，已解决了固体燃料火箭发动机的新设计方案。这种火箭发动机有连锁隔离层；而且火箭第三个圆圈可起到金属热圈的作用，压住接头处，保持密封，防止热气体接触橡胶密封体，避免引起“挑战者”
号航天飞机爆炸那样的事故。
此外，这个设计小组还研制了火箭连接部件的加热器，即使是在严寒天气下，它也能保持恒温。这些改进表明，向航天飞机恢复飞行迈出了重要的一步。
1986年5月27日，美国航空和航天局的官员宣布，在对“挑战者”号航天飞机进行的安全检查中发现，除固体燃料助推火箭的连接处有问题外，整个飞机还有48个部件可能有问题，对这些部件要进行检查和修理，航天飞机最早也要到1988年年初才能恢复飞行。
在宇航员们的强烈要求下，一种应急系统已由罗克韦尔国际公司着手研制。这种应急装置的作用如下：当固体燃料助推火箭被抛弃后，如果航天飞机的3台液体燃料主发动机中的两台失灵，那么它不可避免地要迫降在大西洋上。但是应急系统可以使宇航员得到警报后，在5到10分钟时间内，从6公里到15公里的高空完成跳伞过程，然后在洋面上依靠救生皮筏、无线电探测器信标号救生装置等待援救。
这套救生应急系统估计要使航天飞机增加270多公斤重量，此外，它能否在1988年2月预定恢复航天飞机第一次飞行前安装完毕还是个问题。不过专家们指出，这套装置在航天飞机上升阶段毫无用处，因此它不能使宇航员逃脱“挑战者”号机组人员那样的灾难。
“挑战者”号的失事使航空和航天局改组。五天以后，48岁的海军少将特鲁利接替穆尔，负责美国的航天飞机计划，并主持航空和航天局内部调查的工作。3月6日，里根总统任命在1971年至1972年间担任过航空和航天局第四任局长的66岁的弗莱彻为新一任局长。2月28日，美国航空和航天局在肯尼迪宇航中心举行记者招待会，宣布由于“挑战者”号航天飞机失事原因尚未找到，美国决定一年内停止发射航天飞机。到1986年4月份，由于对事故原因的调查分析有了明显结果，但重新设计固体燃料助推火箭尚需时日，所以航空和航天局宣布，初步决定自1987年7月起开始恢复航天飞机的飞行。1986年10月3日，美国航空和航天局又宣布，根据新的情况，已决定“挑战者”号失事后的第一次航天飞机飞行定在1988年2且18日，发射“发现”号。5月份将发射“阿特兰蒂斯”号。这一年，一共发射5架次航天飞机，1989年计划发射10架次，1990年发射11架次。这些，充分表现了美国不因航天飞机失事而畏缩不前的精神。