Các tình huống dẫn đến cái chết của Gagarin cho đến nay vẫn chưa được làm rõ. Tồn tại một loạt các phiên bản mâu thuẫn nhau về cái chết của ông. Phiên bản chính thức 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 thế khi đó thì máy bay đã được tìm thấy cạnh làng Rjazantsa và xóm Krutets. Cái chết của Gagarin, theo ý kiến 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.