Последний полет Юрий Алексеевич Гагарин совершал вместе с Владимиром Серегиным на самолете МиГ-15УТИ. Катастрофа произошла при выполнении тренировочного полета 27 марта 1968 года.
Утром в среду 27 марта 1968 года в 10:18 Гагарин и Серёгин взлетели на учебном самолёте МиГ-15УТИ с подмосковного аэродрома Чкаловский в Щёлкове. На момент взлёта условия видимости были нормальными, а высота нижней границы облаков составляла 900 м над землей. Выполнение задания в пилотажной зоне должно было занять не менее 20 минут, но уже в 10:30 Гагарин сообщил на землю об окончании задания, запросил разрешения развернуться и лететь на базу. После этого «625-й» — позывной Гагарина — больше на связь не выходил.
Когда стало ясно, что у самолёта уже должно было закончиться топливо, в зоне полётов начались поиски, которые продолжались более трёх часов. В 14:50 одному из вертолётов удалось обнаружить обломки самолёта МиГ-15УТИ примерно в 65 км от аэродрома, в районе деревни Новосёлово, в 18 км от города Киржача Владимирской области.
Определено, что катастрофа произошла всего через 60-70 секунд после доклада Юрия Гагарина: "Понял, выполняю". По срезу вершин деревьев, направлению оси разброса обломков МиГа и показаниям некоторых стрелочных приборов (те же отпечатки на циферблатах) было установлено, что истребитель врезался в землю с углом пикирования 50 градусов на скорости около 700 км/час и с небольшим правым креном.
Руль высоты находился в положении вывода из пикирования, но не на границе диапазона его возможной перекладки, а лишь на половине этого предела. Значит, ручка управления была взята "на себя" не до упора. Почему? Возможно, потому, что перегрузка на этом вертикальном маневре достигала почти 11 крат - каждый из летчиков "весил" около тонны, сопоставимое давление было на всю конструкцию самолета.
По мнению авторитетных экспертов, долгое время работавших в Институте авиационной и космической медицины и знакомых с техническими отчетами комиссии Смирнова, такие экстремальные параметры снижения самолета "не могли быть результатом намеренных действий экипажа, а явились следствием возникшей нештатной ситуации, обвально усугубившейся до катастрофического исхода всего за одну минуту". Что именно случилось в эту минуту или две, комиссия так и не установила.
Утром следующего дня на месте падения самолёта приступили к работе члены Государственной комиссии. Были обнаружены фрагменты тел Серёгина и Гагарина, опознанные родственниками и сослуживцами. На месте авиакатастрофы были найдены личные вещи пилотов, бумажник с водительскими правами и фотографией Королёва, а также на ветке берёзы был найден клочок лётной куртки Гагарина с талонами на питание.
Дело составило 29 томов. Ходили слухи, что пилоты были пьяны; хотя в отчёте комиссии было доложено об отсутствии алкоголя в крови. Разбившийся истребитель не имел бортовых самописцев.
Из Москвы высшее советское руководство требовало ответа — что с Гагариным? Большинство тех, кто был на месте падения МиГа, полагали, что сомнений в том, что первого космонавта Земли нет в живых, не осталось. Но Каманин решил дождаться стопроцентного подтверждения.
Оно было обнаружено 28 марта. Из дневника генерала Каманина: «Около восьми утра генерал Кутахов и я почти одновременно заметили на высоте 10–12 метров на одной из берез кусок какой-то материи. Он оказался частью куртки Гагарина. В грудном кармане куртки мы нашли талон на завтрак на имя Юрия Алексеевича Гагарина. Сомнений больше не было: Гагарин погиб».
Военные собирали то, что осталось от Гагарина и Серегина. Тем же вечером в Москве состоялась кремация останков. Утром 29 марта началось прощание с погибшими в Краснознаменном зале Центрального Дома Советской Армии.
30 марта 1968 года при огромном стечении народа урны с прахом Юрия Гагарина и Владимира Серегина были захоронены в нишах Кремлевской стены. Трехдневный траур, объявленный в стране, впервые в истории СССР не был связан с кончиной представителя высшего руководства.