27 марта 1968 года первый космонавт Юрий Гагарин и летчик-инструктор Владимир Серегин погибли во время тренировочного полета. Учебный самолет МиГ-15 УТИ, которым они управляли, разбился вблизи деревни Новоселово Владимирской области.
В коллекции музея находятся фрагменты листов планшета, обнаруженные на месте крушения самолета, а также личные вещи первого космонавта - значок, свидетельство военного летчика первого класса и предметы одежды: форменная рубашка и китель.
Гагарин погиб в день рождения своего отца. В книге «Память сердца» мать космонавта Анна Гагарина рассказывала:
«Поздравительной открытки мы от Юры не ждали – сам обещал приехать. Но вот и не звонит… Сердце щемило».
О трагедии семья узнала на следующий день из новостей по радио:
«Включила, в дом ворвалась фраза: «… при выполнении тренировочного полета на самолете трагически погиб…» – в приемнике затрещало. Я поняла! Я не хотела верить!».
Государственная комиссия, выяснявшая обстоятельства трагедии, так и не смогла однозначно определить причину авиакатастрофы. Результаты работы комиссии были рассекречены только в 2011 году. Вероятной причиной крушения эксперты назвали уход самолета в штопор после выполнения резкого маневра для отворота от шара зонда или для предотвращения входа в облачность. Отсутствие в течение долгого времени официальной версии катастрофы породило много версий, среди которых − ошибка экипажа, разгерметизация кабины, столкновение с метеозондом, а также опасное сближение или попадание в след другого самолета.
В 2013 году космонавт Алексей Леонов обнародовал свою версию случившегося. Ссылаясь на рассекреченные данные, он рассказал журналистам, что в момент последнего полета Гагарина рядом в небе оказался истребитель Су-15, который вылетел с аэродрома в подмосковном Жуковском, нарушил режим, опустился до высоты 450 метров и прошел слишком близко с самолетом летчика-космонавта, что спровоцировало катастрофу. Летчик и ученый Арсений Миронов, принимавший участие в расследовании, утверждал, что эта версия ошибочна. По его данным, в день трагедии с аэродрома «Раменское» в Жуковском совершили вылет два Су-15, один из них находился в воздухе во время полета Гагарина и Серегина, но произвел посадку до того, как связь с самолетом Гагарина прервалась.