윤 일병의 사인(死因)에 대한 의학적 쟁점은 '질식사'로 알려진 것과 달리 '구타' 행위가 사망에 얼마나 직접적인 영향을 끼쳤는지에 대한 것이다.
군 당국은 '기도 폐쇄성 질식사 추정'이라고 발표했다. 부검 결과 윤 일병의 목에서 이물질이 발견됐으며 '뇌 저산소증'으로 사망했으므로 질식 때문에 호흡 곤란이 생겨 사망했다고 '추정'한 것이다. 반면 군(軍)인권센터는 "윤 일병 사망의 결정적 원인은 구타에 의한 '외상성 뇌 손상'"이라고 반박했다. 구타에 의한 '뇌진탕'으로 정신을 잃은 것이 사망에 결정적 원인(선행 사인)이라는 것이며 질식은 그 이후에 일어난 결과라는 주장이다.
전문가들은 건강한 젊은 사람이 이물질에 의한 기도 폐쇄로 사망하는 것은 사살상 거의 일어나기 어렵다고 주장한다. 기도 폐쇄로 사망하는 경우는 음식물을 삼키는 능력이 떨어지는 노인이 뱉어내기 힘든 음식(인절미, 산 낙지 등)을 먹는 경우가 대부분이기 때문이다. 또 의식이 있을 때 기도가 폐쇄됐다면 숨이 막힌다는 말을 하거나 행동을 보였어야 하는데, 군 수사 기록에 따르면 이런 의사 표현 없이 윤 일병은 마지막까지 화장실 가고 싶다는 얘기만 했다는 것이 군인권센터의 주장이다.
이 때문에 전문가들은 '구타에 의해 의식을 잃은 후, 입 안에 남아 있었던 음식물이 목에 걸려 질식했거나 혹은 위에 있던 음식물이 역류해 목에 걸렸을 가능성이 더 크다'는 쪽에 가능성을 두고 있다.
한편 군이 발표한 윤 일병 부검 결과에 따르면 뇌에서 가로 5㎝, 세로 2㎝ 정도 크기의 멍과 부종이 발견됐다.
이에 대해 뇌신경 전문가들은 "뇌진탕이라도 뇌에 흔적이 없는 경우가 대부분"이라며 "멍과 부종까지 생겼다면 당시 의식 혼란 등의 증상이 생겼을 가능성이 충분하다"며 윤 일병 직접 사인으로 '구타'에 의한 '외상성 뇌 손상' 가능성에 더 무게를 두는 입장이다.