Cuộc hội ngộ của 6 nhà du hành vũ trụ Liên Xô Pavel Popovich, Yuri Gagarin, Valentina Tereshkova, Valeri Bykovsky, Andrian Nikolayev và German Titov tại trường quay của Đài truyền hình Trung ương Liên Xô ngày 12-3-1963

Theo công bố của nhà nước Liên Xô, thì Đại tá Không quân, Phi công cấp 1, Anh hùng Liên Xô, Yuri Alekseyevich Gagarin hy sinh ngày 27 tháng 3 năm 1968. Trước đây, các thông tin về vụ tai nạn của Gagarin được giữ kín. Do vậy, có nhiều đồn đoán về các tình huống dẫn đến cái chết của Gagarin. Tồn tại một loạt các phiên bản mâu thuẫn nhau về cái chết của ông. Phiên bản chính thức trên báo chí là: Máy bay UTI MiG-15 với Gagarin và Serjogin bị nổ tung vào ngày 27 tháng 3 năm 1968 vào lúc 10 giờ 31 phút sáng trong khu vực làng Novosjolovo cách thị trấn Kirzhach, tỉnh Vladimir 18 km. Điều này xảy ra trong điều kiện tầm nhìn rất hạn chế — các lớp mây thấp chỉ cách mặt đất 300 mét. Máy bay bị rơi vào vùng xoáy, để có thể thoát ra được thì thời gian chỉ vài giây là không đủ đối với các phi công.

Nhưng theo như người chứng kiến sự cố này là người thợ nguội Valentin Surkov khẳng định thì ngày 27 tháng 3 năm đó là một ngày trời quang, và máy bay đã rơi dường như là nó không thể lấy được cân bằng. Ông này cũng khẳng định rằng trên thực tế khi đó thì máy bay đã được tìm thấy cạnh làng Rjazantsa và xóm Krutets. Cái chết của Gagarin, theo nghi ngờ của một vài người sống cùng thời với ông, là do bàn tay của chính phủ Xô viết, do ông đã trở nên quá nổi tiếng[cần dẫn nguồn]. Tuy nhiên giả thuyết này không đứng vững, bởi sau cái chết của Vladimir Komarov, phi hành gia, bạn thân của Gagarin (hi sinh vì dù không mở khi chiếc Soyuz 1 trở lại quỹ đạo), chính các quan chức Liên Xô đã cấm Gagarin bay vì sợ mất đi tiếp một "ngôi sao". Chính Gagarin đã đấu tranh để lệnh đó được hủy và được phép bay trở lại, dù chỉ là bay huấn luyện.

Ngoài ra còn tồn tại các phiên bản khác:

• Một máy bay khác (nhiều khả năng là một chiếc Sukhoi SU-15) đã bay ở khoảng cách quá gần chiếc MiG-15 của Gagarin, kết quả là chiếc máy bay MiG-15 đã bị rơi vào vùng khí xoáy do động cơ chiếc SU-7 gây ra, khiến nó nhiễu loạn và mất điều khiển.
• Máy bay của Gagarin bị bắn hạ bằng tên lửa.

Đài tưởng niệm Yuri Gagarin được khánh thành ngày 14 tháng 7 năm 2011 tại London (Anh)

Trong những năm cuối thập niên 1990 xuất hiện ý kiến cho rằng chuyến bay vũ trụ của Gagarin không thể công nhận là đã được tiến hành trọn vẹn, do ông đã rời bỏ chuyến bay trước khi (nó) tiếp đất. Nhưng phương pháp tiếp đất như thế đã được lập kế hoạch từ ban đầu với sự tính toán đến việc đảm bảo an toàn. Nói chung, nguyên nhân cơ bản của các giả thuyết loại này đều mang động cơ chính trị.[cần dẫn nguồn]

Năm 2003, một giả thuyết mới của Đại tá nghỉ hưu người Nga Igor Kuznetsov cho rằng Yuri hy sinh vì khoang lái của chiếc máy bay MiG-15 không được hàn kỹ lưỡng, phản bác lại kết luận cũ xưa cho rằng ông chết do khí cầu đâm phải máy bay của ông. Thêm một giả thuyết nữa cho cái chết này, đó là do các phi công của MiG-15 không chuẩn bị kỹ trước khi bay.

Vào tháng 4 năm 2011, một tài liệu mật điều tra về vụ tai nạn được lập năm 1968 bởi Ủy ban Trung ương Đảng Cộng sản Liên Xô đã được giải mật, nguyên nhân chính thức đã được xác nhận là do tai nạn. Những tài liệu cho thấy kết luận rằng nguyên nhân tai nạn là một trong hai phi công Gagarin hoặc Seryogin đã thực hiện một động tác thao diễn mạnh, có khả năng là để tránh một quả khí cầu thời tiết, dẫn tới việc chiếc máy bay phản lực rơi vào tình trạng mất điều khiển khí động trong điều kiện khí tượng phức tạp. Báo cáo cũng đề cập một khả năng khác là chiếc phản lực có thể đã vận động mạnh để tránh rơi vào một đám mây che, nhưng thao tác quá gấp lại khiến nó mất điều khiển và đâm xuống đất, khiến phi công không kịp nhảy dù.