Вместе с летчиком Владимиром Серегиным Гагарин должен было совершить тренировочный полет на реактивном двухместном самолете МиГ-15УТИ. Перед вылетом они, как полагается, прошли медицинское обследование. Никаких проблем и жалоб не было, ничто не предвещало беды. Только позже космонавт Алексей Леонов вспоминал, как незадолго до происшествия они с Гагариным ходили к парикмахеру, который вел себя странно и выглядел необычно подавленным. Якобы состриженные волосы он не выкинул, а поднял с пола, сложил в пакет и убрал в шкаф. В момент взлета видимость была нормальной. Уже в половину одиннадцатого утра Гагарин сообщил об окончании задания и запросил разрешение вернуться на базу. С этого момента самолет перестал выходить на связь. После некоторого ожидания и надежд на неполадки рации стало понятно, что случилась трагедия. Топливо уже должно было закончиться, но посадку самолет так и не произвел.

В 18 километрах от города Киржач к трем часам дня обнаружили обломки МиГ-15УТИ и фрагменты тел пилотов, впоследствии опознанных близкими. Народу о смерти Гагарина сообщили лишь через два дня, а дело незамедлительно засекретили. Для многих это выглядело подозрительно, из-за чего и поползли разные слухи.Комиссия пришла к выводу, что экипаж решил изменить направление во время полета и после резкого маневрирования воздушное судно ушел в штопор. Так называют неуправляемое состояние из-за критического угла. Попытки вернуть самолет в горизонтальное положение оказались безуспешны, и МиГ-15УТИ столкнулся с землей. Оба пилота погибли, несмотря на исправность техники.

«Этот вывод выглядит правдоподобным для обычных людей, но не для профессионалов» – высказался Алексей Леонов по поводу официального отчета. Данное заявление заставило многих начать разбираться в этой теме, что было сложно, так как о скрытых деталях знали лишь единицы. Причины крушения и подробные обстоятельства до сих пор остаются неизвестны. Бортовой инженер «Союза-22» Владимир Аксенов высказал мысль о том, что Гагарин с Серегиным ошиблись в метеоусловиях. В тот день наблюдалась необычная облачность. Прямо над землей находились сплошные густые облака, а выше небо было абсолютно чистым. Скорее всего, из-за этого самолет сбился с курса и лишился управления. Доктор технических наук С. М. Белоцерковский и Алексей Леонов придерживаются другой версии, согласно которой факторов падения было несколько. Сюда входят и недоработки самолета, и неподходящая для полета погода. Уклонившись от какого-то препятствия, пилоты попали в поток воздуха от летевшего рядом самолета и потеряли управление. Профессиональный летчик и руководитель Центра подготовки космонавтов Николай Кузнецов считает, что Серегин незадолго до трагичного дня плохо себя чувствовал и говорил о болях в сердце. Возможно, ему стало нехорошо в полете, и Гагарин от неожиданности тоже потерял управление.Игорь Кузнецов, сотрудник НИИ эксплуатации и ремонта авиатехники, высказал мнение, что один из вентиляционных кранов самолета приоткрылся, из-за чего кабина была негерметична, но пилоты не обратили на это внимания. Когда же МиГ-15УТИ стал снижаться, произошел перепад давления, и Гагарин с Серегиным потеряли сознание.