Ngày 24 tháng 10 năm 1960, Nedelin cùng với khoảng 120 người khác đã thiệt mạng trong một vụ nổ tên lửa thử nghiệm tại Sân bay vũ trụ Baykonur. Vụ việc được gọi là thảm họa Nedelin, được đặt theo tên của Nedelin do là nạn nhân đáng chú ý nhất của nó, và bị chính quyền che đậy. Nedelin đã đảm bảo với nhóm của mình rằng tất cả đều an toàn, và để chứng minh rằng ông cố ý ngồi gần bãi phóng; quyết định này đã khiến ông phải trả giá bằng mạng sống của mình. Cái chết của Nedelin được chính thức liệt kê là xảy ra trong một vụ tai nạn máy bay cho đến khi Liên Xô tan rã vào những năm 1990 đã phanh phui vụ việc.

Nedelin được chôn cất trong Nghĩa trang tường Điện Kremli tại Quảng trường Đỏ ở Moskva.