Tidningens analys baseras på vittnesuppgifter, satellitbilder, inlägg i sociala medier samt vapenfragment. Den samlade bilden "tyder starkt på att den katastrofala attacken var resultatet av en felaktig ukrainsk luftvärnsrobot", skriver The New York Times.
Minst 15 civila dödades och över 30 människor skadades i attacken, som var en av de dödligaste i landet på flera månader. Många butiker, marknadsstånd och bottenvåningen på ett flerfamiljshus ska ha förstörts.
Beskyllde Ryssland
Ukraina har tidigare beskyllt Ryssland för att ligga bakom attacken.
Ryska styrkor hade beskjutit Kostiantynivka kvällen före händelsen och ukrainsk artillerield från staden rapporterades bara minuter före attacken mot marknaden.
Enligt analysen visar videobilder från en övervakningskamera att roboten kom in i Kostiantynivka i riktning från ett område som kontrolleras av Ukraina, inte av Ryssland. På videon syns människor vända sig mot riktningen som roboten kom ifrån, och även speglingar i biltak tyder på vilket håll den kom ifrån. Det finns också tecken på platsen där roboten detonerade som tyder på att den kom från nordväst, enligt experter.
Försökte hindra
Ukrainska myndigheter försökte, enligt tidningen, inledningsvis hindra dess journalister att få tillgång till de spillror som fanns kvar efter roboten och till nedslagsområdet. Så småningom fick reportrarna dock tillgång till platsen, där de kunde intervjua vittnen och samla in rester av roboten.
Kostiantynivka, med runt 70 000 invånare, ligger drygt två mil väster om Bachmut och i ett område där några av krigets längsta och hårdaste strider ägt rum.