據媒體稱，D301次列車在撞上D3115次列車時的瞬間速度超過100公里／時，這表明D301次列車司機未按規定制動距離對列車施行緊急制動，因此很有可能直到列車司機目視前方出現了異常情況，才拉下了緊急制動，導致列車還未成功停車前，就用完了僅剩的一小段制動距離，最終與前車發生追尾。
雙嶴村鼎立峰鞋廠，正位於事發高架路段直線距離不到200米的地方，廠區辦公兼生產樓共有四層，在附近是第一高度。該廠員工阮長宵在事發前正在四樓天台檢查樓頂是否漏水，就在此時他目睹了兩列動車追尾的全過程。
阮長宵稱，在追尾發生前幾秒鐘，D301次列車車頭燈光曾閃爍了幾次，而他也向記者證實，事發時前車D3115次並未停車，而是在緩慢行駛。
一個異常的細節是，按照D301次和D3115次列車的正常時刻表，D301次在永嘉站並不停靠，而是會直接通過。據D301次多位旅客回憶，列車非正常停靠在永嘉站內，車廂曾一度廣播通知，因為雷電大雨原因，列車需在永嘉站內停靠。
此時，D301次和D3115次列車同時停靠在永嘉站內。D3115次乘客呂德民回憶，D301次在站內時停靠在D3115次列車右側的軌道上，8點15分左右，D3115次列車先行啟動，D301次仍在站內停留。
但根據列車正常的時刻表顯示，D301次正點抵達溫州南站的時間為19點42分，D3115次列車正點到達時間則是19點57分。在永嘉站內，為何D3115次列車率先開出，從而將D301次甩在車後，目前這仍是一個未解的謎團。
雷擊謎團
更大的疑問是，在當時據當地人描述為＂好幾年都沒見過＂的猛烈暴雨和雷電強對流天氣下，事發路段的接觸網、信號線路是否真的發生了因雷擊造成的故障，目前仍未有明朗答案。
孫章教授說，中國三萬餘公里的電氣化鐵道線路，此前從未有過類似被雷擊後導致的嚴重事故，因此他形容，動車線路被雷擊導致信號完全喪失，並產生傷亡事故是＂小概率事件＂，目前也無法證明此次追尾事故就屬於這樣的小概率事件。
甬溫鐵路上實施了CTCS－2級列車控制系統，該系統可以實現向列車傳輸運行許可信息和線路數據，是監控列車安全運行的中樞神經。
CTCS－2系統包括列車自動防護子系統（ATP）、列車自動監控系統（ATS）、列車自動運行系統（ATO）三個部分。在此次事故中，ATP子系統成為被廣泛關注的角度。
ATP子系統可以同時配備在列車和車站。在列車上配備的ATP子系統，如果正常工作，可以識別列車前方以及運行環境信號，據此判斷是否需要自動減速或制動，以強迫列車停駛。
配備在車站內的ATP，也可識別相關信號，向車站內調度員及時顯示，並自動作出判斷。
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