В период с 13 по 22 марта он совершил 18 полетов общей продолжительностью 7 часов. Перед самостоятельными вылетами ему оставались последние два контрольных полета — с летчиком-инструктором, командиром полка, Героем Советского Союза Владимиром Серегиным.
Утром 27 марта 1968 года в 10:18 Гагарин и Серегин взлетели на учебном самолете МиГ-15УТИ с подмосковного аэродрома Чкаловский в Щелково. На момент взлета условия видимости были нормальными — нижняя кромка облаков была в 900 м над землей. По плану, он должен был долететь до определенного квадрата, выполнить несколько несложных фигур и вернуться обратно.
Выполнение задания в пилотажной зоне должно было занять не менее 20 минут, но уже в 10:31 Гагарин сообщил на землю об окончании задания, запросил разрешения развернуться и лететь на базу. После этого связь с самолетом прервалась.
Анализ отпечатков стрелок кабинных и наручных часов Гагарина показал, что катастрофа произошла в 10:31, то есть через 50—70 секунд после последнего радиообмена с Гагариным.
Когда стало ясно, что у самолета уже должно было закончиться топливо, в зоне полетов начались поиски, которые продолжались более 3 часов. В удалось обнаружить обломки самолета в 65 км от аэродрома. Утром следующего дня на ветке нашли клочок летной куртки Гагарина с талонами на питание. Позже был обнаружен бумажник с водительскими правами и фотографией Королева.
В связи с гибелью Гагарина в Советском Союзе был объявлен общенациональный траур — впервые в истории СССР в память о человеке, не являвшемся на момент смерти действующим главой государства.
Урны с прахом Юрия Гагарина и Владимира Серегина захоронены в некрополе у Кремлевской стены.
У Юрия Гагарина осталась жена и двое дочередей. Елена Гагарина сейчас является генеральным директором музея-заповедника "Московский Кремль", Галина Гагарина — профессор, заведующая кафедрой национальной и региональной экономики Российского экономического университета академии им. Плеханова, кандидат экономических наук.
Результатом работы комиссии стал 29-томный отчет, до сих пор хранящийся в архивах под грифом "секретно". Тем не менее, кое-какие выдержки из него были опубликованы.
Официальные выводы комиссии были таковы: экипаж из-за изменившейся в полете воздушной обстановки совершил резкий маневр и сорвался в штопор. Несмотря на попытки летчиков вывести машину в горизонтальный полет, самолет столкнулся с землей, экипаж погиб.
Отказов или неисправностей техники обнаружено не было. Химический анализ останков и крови летчиков посторонних веществ не выявил. Комиссия КГБ обнаружила многочисленные нарушения в работе наземного персонала аэродрома.
Версию, что самолет ушел в штопор, отмели еще в 1968 году: УТИ МиГ-15 трудно входит в штопор, а оказавшись в нем, легко выводится, особенно если учесть, что запас высоты был достаточный — 4000 метров.
В 2011 году, к 50-летнему юбилею полета Гагарина в космос были так же рассекречены выводы госкомиссии о возможных причинах его гибели. Наиболее вероятной причиной падения самолета, согласно данным Архива президента РФ, является резкий маневр уклонения от шара-зонда или, что менее вероятно, для предотвращения схода в верхний край облачности. В результате маневр привел к попаданию самолета в закритический режим полета и к падению.
Если версию с шаром-зондом еще можно рассматривать, то отсылка к погодным условиям не выдерживает серьезной критики: погода утором 27 марта 1968 года была вполне приемлемая для полетов.
Дело в том, что МиГ-15, на котором вылетели в свой последний полет Гагарин и Серегин, был сделан в Чехословакии. На машинах советского производства вентиляция регулировалась рычагом, на чешских самолетах — кран напрямую соединял кабину с атмосферой.
Скорее всего, пилоты обнаружили, что кабина негерметична, уже находясь на высоте 4 тысячи метров. Как было предписано инструкцией того времени, они немедленно начали снижение до отметки 2 тысячи. Но, согласно этой гипотезе, летчиков погубило именно неукоснительное следование инструкции: самолет начал снижаться со скоростью 145 метров в секунду (по современным правилам вертикальная скорость снижения не должна превышать 50 м/с), резкий перепад давления вызвал обморок у обоих пилотов, что и привело к катастрофе.
В пользу этой теории говорит еще и то, что самолет падал так, как будто никто не пытался его выровнять: не были сброшены обороты двигателя, более того, руки пилотов не находились на ручках управления.
Именем Гагарина названы научно-исследовательское судно, работавшее в Атлантическом океане, серийный самолет Sukhoi Superjet 100 с бортовым номером EK-95015, Саратовский государственный технический университет, аэропорты Оренбурга и Намибе (Ангола).
Федеральным космическим агентством учреждена награда — знак Гагарина, именем Гагарина назван немецкий авангардный звукозаписывающий лейбл Gagarin Records. За стартовым комплексом на площадке №1 космодрома Байконур закрепилось название "Гагаринский старт".
Кроме того, в Континентальной хоккейной лиге с 2008 года разыгрвается "Кубок Гагарина", выведен сорт гладиолусов под названием "Улыбка Гагарина", редкий минерал, найденный в шахтах Восточно-Казахстанской области Казахстана, был назван гагаринит.
Что касается космоса, то именем Юрия Гагарина назван "кратер" на обратной стороне Луны и астероид. На Луне американские астронавты оставили памятные медали с изображением людей, отдавших жизнь освоению космоса. Среди двух медалей с изображением советских космонавтов — одна с изображением Гагарина.
Днем 9 октября 1963 года в Рижском аэропорту приземлился самолет ИЛ, который был вынужден прервать полет в Англию (и далее — на Кубу) из-за плохих погодных условий. Этим рейсом в длинное путешествие отправился Юрий Гагарин с женой Валентиной, а также генерал-лейтенант авиации Николай Каманин.
После встречи в аэропорту председатель исполнительного комитета Рижского совета депутатов трудящихся Янис Пакалнс вручил космонавту знак Почетного гражданина Риги. Потом гости посетили значимые места города. 10 октября Гагарин и его спутники улетели из Риги.
Кстати, в 1961 году сразу после первого полета в космос руководство латвийской компартии всерьез обсуждало возможность присвоения Риге названия Гагарин, сообщает журнал "Открытый город". С предложением о переименовании выступил первый секретарь ЦК КПЛ Арвид Пельше.
В городах Латвии названий, связанных с первым ксмонавтом Земли, сейчас нет. А вот в советское время одна из улиц Риги носила его имя. Улица Ю.Гагарина, протяженностью немногим более двух километров, начиналась от Д/К "ВЭФ" и заканчивалась около т/ц "Альфа", расположена в микрорайоне Тейка. После восстановления независимости Латвии улица была переименована в ул.Ропажу.
Была переиименованы и некоторые другие названия рижских улиц на тему космонавтики. В частности, Космонавтикас гатве теперь Дж.Дудаева гатве, ул.В.Терешковой — ул.Буллю, ул.С.Люлина — ул.Даммес, проспект Комарова — проспект Курземес.
В Даугавпилсе ул.Ю.Гагарина существовала с 1961 по 1992 годы, позже была переименована в ул.Ятниеку. В Яундубулты был детский лагерь, носивший имя Ю.Гагарина (сейчас это лагерь "Knipska").
Улицы Гагарина сохранились в небольших латвийских поселках. В частности, в Варнавичи и Индре Краславской волости, в Эглайне Илукстенской волости, в Тадайки Приекульской волости.
"Когда объявили о полете Юрия Гагарина в космос, все ученики вдруг повернулись ко мне и начали смеяться. А директор школы поздравил и пожал руку. Он ведь знал моего отца — Алексея. Я оказался полным тезкой героя космоса. Местная газета тут же отреагировала на это событие, поместив на своих страницах статью о том, что в школе учится второй Юрий Алексеевич Гагарин", — вспоминал житель Даугавпилса.
"Меня узнавали и поздравляли. Было приятно. Но я понимал, что все это авансом. Ведь моих заслуг в героическом подвиге однофамильца не было никаких. И все же приятно", — делился он воспоминаниями.
В 1967 году латвийский Юрий Гагарин окончил Даугавпилсское военно-техническое училище, поступит в академию им. Жуковского (в свое время там учился первый космонавт планеты). После ее окончания был направлен в Даугавпилсское авиационное училище, где дослужился до заместителя начальника факультета по учебной части. Как и космонавт Гагарин, стал полковником. После перевода военного заведения в Ставрополь в 1993 году, Юрий Алексеевич распрощался со службой.