27 марта 1968 года Гагарин погиб в авиационной катастрофе, выполняя тренировочный полёт на самолёте МиГ-15УТИ под руководством опытного инструктора В. С. Серёгина, вблизи деревни Новосёлово Киржачского района Владимирской области.

Для расследования причин катастрофы была создана Государственная комиссия. Отчёт составил 29 томов и был засекречен; его детали до последнего времени были известны только из статей и интервью отдельных её членов. Суть выводов комиссии была такой: экипаж из-за изменившейся в полёте воздушной обстановки совершил резкий манёвр и вышел из облачного слоя, пикируя практически вертикально. Несмотря на попытки лётчиков вывести машину в горизонтальный полёт, самолёт столкнулся с землёй и экипаж погиб. В ходе расследования отказов или неисправностей техники обнаружено не было. Химический анализ останков и крови лётчиков посторонних веществ не выявил.

В 2013 году Алексей Леонов (первый человек, вышедший в открытый космос) сообщил, что в результате рассекречивания документов следственной комиссии данная версия полностью подтвердилась: в зоне тренировочных полётов космонавтов несанкционированно оказался самолёт Су-15, который на форсаже ушёл на свой эшелон. Пройдя в облаках на расстоянии 10—15 метров от самолёта Гагарина и Серёгина, истребитель, шедший на скорости сверхзвука, возмущённым потоком вогнал их самолёт в спираль, выйти из которой лётчики не успели.

Юрий Гагарин был кремирован, урна с прахом захоронена в Кремлёвской стене.