หลังจากเที่ยวบินที่ 8509 ขึ้นบินได้ไม่ถึง 2 นาที เครื่องบินบินเอียงไปทางซ้ายและหัวเครื่องบินกดลงจนกระทั่งเกี่ยวกับสายไฟฟ้าแรงสูงก่อนจะตกถึงพื้น โดยในขณะที่เครื่องบินตกถึงพื้นนั้นเครื่องตะแคงไปทางซ้ายเกือบตั้งฉากกับพื้น และหัวเครื่องบินกดลง (pitch down) ทำมุมประมาณ 38-40° กับแนวระนาบ[1][8] จุดที่เครื่องบินตกเป็นทุ่งโล่งใกล้กับป่าแฮดฟีลด์ (Hatfield Forest) และหมู่บ้านเกรตฮอลลิงบรี (Great Hallingbury) ในมณฑลเอสเซ็กซ์ ซึ่งอยู่ห่างจากท่าอากาศยานสแตนสเต็ดไปทางตะวันตกเฉียงใต้ประมาณ 1 ไมล์ (1.6 กิโลเมตร)[9][10] และห่างจากเขตหมู่บ้านไม่ถึง 100 เมตร[11] ผู้เห็นเหตุการณ์ให้สัมภาษณ์ว่าเกิดระเบิดขนาดใหญ่หลังจากเครื่องบินตกถึงพื้นและลูกไฟที่เกิดขึ้นมีขนาดเกือบ 600 ฟุต (180 เมตร)[9][10][11] บริเวณที่เครื่องบินตกกลายเป็นหลุมขนาดกว้าง 13 เมตร ยาว 43 เมตร และลึก 3.5 เมตร[8] ชิ้นส่วนของเครื่องบินปลิวกระจายทั่วบริเวณ[11]และบางส่วนถูกลมพัดหอบไปไกลถึงท่าอากาศยานสแตนสเต็ด เนื่องจากในคืนวันที่เกิดเหตุมีลมแรง วัดความเร็วได้ถึง 21 ไมล์ต่อชั่วโมง (34 กิโลเมตรต่อชั่วโมง)[10] พยานบางคนอ้างว่าเห็นไฟไหม้เครื่องบินก่อนตกถึงพื้น[9]แต่จากการสืบสวนไม่พบว่ามีไฟไหม้[1]

อุบัติเหตุครั้งนี้ทำให้ไฟฟ้าดับในบริเวณใกล้เคียงเนื่องจากเครื่องบินเกี่ยวสายไฟฟ้าแรงสูงทำให้สายไฟฟ้าขาด ผู้โดยสารที่จะเดินทางกลับบ้านในช่วงเทศกาลคริสต์มาสบางส่วนตกค้างอยู่ที่ท่าอากาศยานสแตนสเต็ดที่ปิดชั่วคราวเนื่องจากชิ้นส่วนเครื่องบินบนทางวิ่งของท่าอากาศยาน การจราจรทางบกได้รับผลกระทบจากชิ้นส่วนเครื่องบินเช่นกัน ถนนหลายสายถูกปิดชั่วคราวรวมทั้งมอเตอร์เวย์เอ็ม 11 ซึ่งเชื่อมระหว่างลอนดอนและมณฑลเคมบริดจ์เชอร์[10]

การสืบสวนหาสาเหตุดำเนินการโดยกรมสืบสวนอุบัติเหตุทางอากาศ (Air Accidents Investigation Branch) หรือ AAIB ร่วมกับผู้แทนจากองค์กรสืบสวนอุบัติเหตุจากเกาหลีใต้และสหรัฐอเมริกา[1] โดยพบว่า ADI หรืออุปกรณ์วัดสภาพการวางตัวของเครื่องบินฝั่งที่กัปตันพัก ดึก-กยูใช้นั้นเป็นตัวที่ขัดข้อง ในขณะที่อุปกรณ์ของนักบินผู้ช่วย ยุน กี-ชิกและอุปกรณ์สำรองใช้ได้ปกติ แต่เนื่องจากการสื่อสารระหว่างนักบินชุดที่บินระหว่างทาชเคนต์และลอนดอนซึ่งเป็นผู้พบว่า ADI มีปัญหา วิศวกรภาคพื้นดินของโคเรียนแอร์ (คิม อิล-ซ็อก) และวิศวกรของท่าอากาศยานที่ไม่ชัดเจน ทำให้วิศวกรเข้าใจผิดว่าซ่อมอุปกรณ์ที่มีปัญหาเรียบร้อยแล้วและเครื่องบินพร้อมที่จะเดินทางต่อไปยังมิลาน ซึ่งส่งผลให้เมื่อเที่ยวบินที่ 8509 ขึ้นบินจากลอนดอนไปยังมิลาน กัปตันไม่ทราบว่า ADI มีปัญหา และยังคงเลี้ยวเครื่องบินต่อไปจนกระทั่งเอียงเกือบตั้งฉากกับพื้นและเสียระดับความสูงจนตกในที่สุด

ปัจจัยอีกประการหนึ่งซึ่งมีส่วนทำให้เกิดอุบัติเหตุครั้งนี้คือความสัมพันธ์ระหว่างนักบินและวัฒนธรรมองค์กรของโคเรียนแอร์ในขณะนั้น เดวิด เลียร์เมานต์ ผู้เชี่ยวชาญด้านการบินได้ให้สัมภาษณ์กับเดอะการ์เดียนว่านักบินของโคเรียนแอร์ที่มาจากกองทัพอากาศนั้นจะค่อนข้างทะนงตนว่ามีประสบการณ์มากพอและไม่ยอมรับฟังนักบินที่เป็นพลเรือน[10] ในรายงานของ AAIB ก็อ้างอิงถึงเหตุการณ์โคเรียนแอร์ เที่ยวบินที่ 801 ตกที่เกาะกวมเมื่อ พ.ศ. 2540 หรือสองปีก่อนเที่ยวบินที่ 8509 ตก[1] ซึ่งมีสาเหตุส่วนหนึ่งมาจากการสื่อสารระหว่างนักบินที่บกพร่อง[12] ในรายงานสรุป AAIB ได้ให้คำแนะนำกับโคเรียนแอร์และองค์การการบินพลเรือนระหว่างประเทศ โดยประเด็นสำคัญได้แก่ให้ปรับปรุงวิธีการฝึกอบรมนักบินโดยปรับให้เข้ากับวัฒนธรรมเกาหลีในขณะที่ยังคงเอื้ออำนวยให้นักบินสื่อสารระหว่างกันได้ดี และปรับปรุงข้อปฏิบัติในการซ่อมบำรุงเครื่องบินที่ปลายทางนอกประเทศเกาหลีใต้เพื่อลดความสับสน