После защиты дипломной работы в академии Жуковского, Ю. А. Гагарин приступил к лётной практике — тренировочным полётам на самолёте МиГ-15УТИ (учебно-тренировочный истребитель с двойным управлением — «спарка»). В период с 13 по 22 марта он совершил 18 полётов общей продолжительностью 7 часов. Перед самостоятельными вылетами ему оставались последние два контрольных полёта — с лётчиком-инструктором, командиром полка, Героем Советского Союза Владимиром Серёгиным.
27 марта 1968 года в 10:18 Гагарин и Серёгин взлетели с подмосковного аэродрома Чкаловский в Щёлково. На момент взлёта условия видимости были нормальными — нижняя кромка облаков была в 900 м над землёй. Выполнение задания в пилотажной зоне должно было занять не менее 20 минут, но уже через четыре минуты (в 10:30) Гагарин сообщил на землю об окончании задания, запросил разрешения развернуться и лететь на базу. После этого связь с самолётом прервалась.

Когда стало ясно, что у самолёта уже должно было закончиться топливо, в зоне полётов начались поиски, которые продолжались более 3 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 Киржач Владимирской области. Утром следующего дня на ветке нашли клочок лётной куртки Гагарина с талонами на питание. Позже был обнаружен бумажник с водительскими правами и фотографией Королёва.

Для расследования катастрофы была создана Государственная комиссия, но даже после многомесячной работы сотен специалистов комиссия не смогла однозначно объяснить причины трагедии. В результате отчёт комиссии был засекречен и его детали известны только из статей и интервью отдельных её членов. По сей день причины и обстоятельства катастрофы не являются выясненными. Существует ряд противоречивых версий случившегося.

Перед полётом в космос Ю. Гагарин составил прощальное

письмо — на случай, если погибнет. Это письмо вручили

жене после его гибели под Киржачом.
 В СССР был объявлен общенациональный траур. Это был первый случай в истории СССР, когда день траура был объявлен в случае смерти человека, не являвшегося на момент смерти действующим главой государства.

Урны с прахом Гагарина и Серёгина замурованы в Кремлёвскую  стену.