Gagarin zemřel v březnu 1968, když se s instruktorem Vladimirem Serjoginem při testovacím letu vraceli na základnu Čkalovskij. Letoun se dostal do nezvyklé polohy a prudce dopadl na zem. O příčinách nehody kolovalo množství teorií. Mimo jiné se hovořilo o vlivu alkoholu či odplatě předsedy presidia Leonida Brežněva, i když spíše byla uváděna srážka se sondou meteorologického balónu a dezorientace pilota.

Penzionovaný plukovník sovětského letectva Kuzněcov a jeho tým léta tvrdí, že šlo o technickou závadu: otevřel se vyrovnávací ventil kokpitu a nastala dekomprese. Gagarin podle něj v panice strhl stroj dolů příliš prudce, v důsledku čehož upadl do bezvědomí a mig se zřítil do lesa. Čtyřiatřicetiletý Gagarin i druhý pilot zemřeli.

Britský list The Daily Telegraph upozornil, že Gagarin v roce 1968 neměl poznatek, že klesání v tak vysoké rychlosti je nebezpečné. Kuzněcov se domnívá, že za otevřený ventil možná mohl pilot, který se stíhačkou letěl předtím. Instrukce k ventilu, jež měl Gagarin k dispozici, navíc podle něj byly nedostatečné. Až dosud se mělo za to, že ve stíhačce před osudným pádem letěl o dva dny dříve právě Gagarin.

Kuzněcov marně vyzývá ruské úřady, aby zveřejnily původní zprávu vyšetřovatelů a případ znovu otevřely. Se svým týmem se nehodou zabývá už devět let. Kuzněcov vyzval také letecké odborníky ve světě, aby jeho zjištění přezkoumali.

Jurij Gagarin vzlétl jako první do vesmíru, když se v roce 1961 v automaticky pilotované sondě Vostok 1 na 68 minut dostal na oběžnou dráhu Země. Stal se hrdinou nejen v tehdejším Sovětském svazu, ale po celém světě.