Во время тренировочного полета на МиГ-15УТИ, согласно материалам исследований доктора технических наук профессора С.М. Белоцерковского, в результате попадания в вихревой след за идущим впереди самолетом (Су-11 с бортовым №36) и резкого уклонения от столкновения самолет Гагарина и Серегина свалился в штопор. Экипаж стал сразу выводить машину из штопора, находясь при этом между облаками и не восстановив пространственной ориентировки. Летчики были уверены, что после выхода из облаков успеют вывести самолет в нормальное положение, потому не воспользовались средствами катапультирования. Не располагая достоверными данными о положении машины относительно земли (предположительно, они находились метров на 500 ниже), они не успели вывести ее в горизонтальный полет. Им не хватило примерно полутора-двух секунд, 200-250 м высоты... Отметим, однако, что однозначной причины катастрофы до сих пор нет.
В СССР был объявлен общенациональный траур. Это был первый случай в истории страны, когда день траура объявлялся в связи со смертью человека, не являвшегося на момент смерти действующим главой государства. Урны с прахом погибших захоронены в Кремлевской стене.
На месте их гибели 17 октября 1975 г. открыт мемориал. Памятник представляет собой 16-метровую стелу в форме крыла самолета, выполненную из красного гранита. На лицевой стороне стелы высечены портреты Ю.А. Гагарина и В.С. Серегина. У подножия стела опоясана кольцом из черного лабрадорита. Внутри кольца установлена пятигранная плита с надписью: "27 марта 1968 года на этом месте в авиационной катастрофе погибли первый космонавт мира, Герой Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин и летчик-испытатель, Герой Советского Союза Владимир Сергеевич Серегин".