Расследованием катастрофы занималась правительственная комиссия. Согласно докладу комиссии, «наиболее вероятно, что 29 октября 1955 года под кораблем имел место взрыв немецкой мины типа RMH или LMB со взрывателем М-1, поставленной в период Великой Отечественной войны». Однако источники электропитания вытраленных в 1950-х годах донных мин оказывались разряженными, а взрыватели — неработоспособными.
Профессор, инженер-капитан 1-го ранга Н. П. Муру в своей книге «Катастрофа на внутреннем рейде» доказывает, что наиболее вероятной причиной гибели корабля является взрыв донной мины (двух мин). Прямым подтверждением версии взрыва мины Н. П. Муру считает то, что после катастрофы тралением донного ила были обнаружены семнадцать подобных мин, из которых три находились в радиусе 100 метров от места гибели линкора.
Версия возможной детонации корабельного боезапаса отпала после обследования корпуса: характер разрушений указывал на то, что взрыв произошел снаружи.
По версии Олега Сергеева, подрыв корабля был произведен «отечественными спецслужбами с ведома руководства страны во внутриполитических целях» для дискредитации затратной программы адмирала Кузнецова по широкомасштабному строительству надводных кораблей.
В выводах комиссии не исключалась и возможность диверсии. В Италии накануне передачи линкора СССР открыто звучали призывы не допустить того, чтобы гордость итальянского флота оказалась под советским флагом. Кроме того, как удалось установить из архивных документов, планировалось подготовить 320-миллиметровый главный калибр «Новороссийска» для стрельбы снарядами с ядерной начинкой. По некоторым сведениям, как раз накануне линкор после долгих неудач отстрелялся экспериментальными спецснарядами (без ядерного заряда) по учебным мишеням.
Силы и средства для диверсии в послевоенной Италии имелись. Во время войны на Черном и Средиземном морях действовали итальянские подводные диверсанты из 10-й флотилии, которыми командовал «черный князь» Валерио Боргезе. Во время войны 10-я флотилия базировалась в крымских портах.
Как свидетельствуют рассекреченные разведывательные сводки штаба Черноморского флота, по весьма странному совпадению именно в самом конце октября итальянские торговые суда к 29 октября 1955 года покинули акваторию порта, а Боргезе вскоре после подрыва «Новороссийска» переселился в Испанию.