事发时，飞机正飞至纽约长岛上空，航管员允许TWA800爬升至更高的高度以避让其他飞机；位于机翼部份油箱（2010年最新说法是中央油箱）突然发生爆炸，接着飞机的机头部分（驾驶舱以及部分客舱）从高空脱离，导致飞机失去控制，剩下飞机的中央和机尾部分由于惯性，且引擎仍在运转，剩余部分仍在半空，约30秒后，飞机失去动力，开始下坠，突然左翼部份再次发生爆炸，最后飞机变成碎片，墬毁于大西洋。

重组中的环球航空公司800号班机残骸

事故发生时，东风航空一架波音737客机正好在同一空域，机上的驾驶员目睹了事发的整个过程。飞机爆炸后，TWA800也同时从航管中心的雷达萤幕上消失。东风航空的驾驶员向航管中心回报了这一情况，同时，航管中心试图用无线电和TWA800联络但没有反应。

在爆炸点下方数千尺，空军国民兵一架直升机正好在进行练习，他们也目睹了这个事故，由于着火的碎片从他们周围落下。他们唯有离开以防螺旋翼被打中，待碎片减小后，他们立即返回现场。事发后，海岸防卫队、空军国民兵等马上赶往事发地点，但是机上无人生还。

由于事件发生之后相当多的目击者表示看到有一条白色的烟柱连到飞机爆炸的位置，因此“飞弹说”一时之间让调查工作进行缓慢，FBI与CIA都介入调查，由于讯息指称美国海军正在失事地点进行海军演习，因此被列为"重要嫌疑犯"。

事件发生之初，许多人联想到洛克比空难，认为它不是被飞弹击落便是被恐怖份子炸掉，然而历经一年多的调查，FBI找不出任何与炸弹有关连的证物。

机件故障一开始便被列入可能的事故原因之中。原因无他，该机过于老旧，只是一开始无法确认到底是什幺东西故障会引发如此激烈的爆炸？油量指示系统？可是电压电流都不足以引发火花。燃油泵？可是不至于会产生火花。结构性腐蚀导致整机爆炸？好像不应该会这样。虽然可以确定的是爆炸应该牵涉油箱，可却是千头万绪。

除了以上三个主要的假说之外，还有彗星撞击说、雷击说等等，不过都无法证实，因此这些假说最后都自调查方向中被删除。

波音747系列飞机配有四具发动机，每具发动机推力5万余磅，因此在设计上每具发动机有其专属的油箱，油箱编号由机头朝前方向自左至右分别为一号、二号、中油箱、三号及四号油箱，747-400系列与100～300系列不同之处在于取消了一号及四号备用油箱，并增加了水平尾配重油箱，不过主油箱配油运作的基本概念不变。

由于飞机的升力来自于飞机的主翼，因此为避免主翼于大荷重起飞时受力过大而产生超负荷的型变，导致金属疲劳及升力减低。因此，航机加油时，儘可能的将油量往翼尖放，燃油重量平摊在双翼之中增加机翼的重量，待机翼油箱装满时，多余的油料才会装在中油箱里，举例来说：假设一、四号油箱满油量各是2万磅，二、三号油箱满油量各是5万磅、备用油箱满油量各是7000磅，中油箱满油量是10万磅，反之亦然，油料也自中油箱优先使用。

在什幺条件之下，这些混合油气会被引燃呢？NTSB于1997年7月，以一架借自美国长青航空（Evergreen Airlines）的747-100进行实验，显示当模拟TWA800状况条件下，油箱中的油气为可燃状态。根据NTSB的乔‧寇力（Joe Kolly）博士以50加侖的Jet-A残油，用空调包（PACK）的正常运作热度于起飞前在机坪加热中油箱三小时后发现，中油箱内的油气温度可以达到114℉（45.5℃-可燃），而若是飞机位于13800呎高度时，Jet-A油气的闪点为96℉（35.5℃）。而根据一份FAA更精确的报告指出(DOCID: fr03ap97_dat-123)，燃油气体的可燃温度随着油品种类、油箱内气压以及油箱内溶氧浓度（自液态油品中因震动及压力变化而释放至油气中的氧气）而有所不同。以使用最普遍的Jet A为例，于海平面高度时，当环境温度低于100℉时，油气处于过贫（too lean）状态，而若是高于175℉则为过富（too rich），另外，根据加州理工学院（California Institute of Technology）以四分之一（25%）缩尺模型油箱模拟的实验结果而言，该油箱内油气可以用0.5至500微焦耳（millijoules）引燃-（相较冬天人们穿着毛衣时，指尖接触到门把时所放出的静电能约为1-10微焦耳），而且几乎屡试不爽。种种研究都证明油箱内的油气在相当多的情况之下都是可燃的。燃烧后呢？会爆炸吗？

基本上747中油箱结构所能承受的压力极限为25psi，然而当油气爆炸时会产生39-42psi的压力，结构因而瓦解。当时证据显示，TWA800事件中，第一块掉落出来的东西是来自于中油箱内，假想的情形是：油气爆炸，炸断了主翼梁（spanwise beam），断裂的主翼梁往前沖，撞击到前翼梁（front spar）留下了许多不可磨灭的“吻痕”，爆炸的气体及碎片持续向前沖，在前段机身下侧穿出了个大洞，机身结构因破损而承受不住机头的重量而崩解，当机头段脱离机身下坠时，机身失去机首重量的平衡而持续上飘直到失速。

在空难发生前，环球航空业绩并不好。由于事发前美国的亚特兰大市正筹备即将举行的1996年奥运会，环球航空希望藉此盛事大展拳脚，摆脱多年经营不振，可是这次空难却给予环球航空致命一击。公司经此事故后，终于在2001年被美国航空併购消失。